Термогенераторы на химическом топливе. Термогенераторы, работающие на тепле сгорания органического топлива (твердого, жидкого и газообразного), относятся к одному из наиболее развитых направлений термоэлектрической энергетики. Особо интенсивное развитие термогенераторы на химическом топливе получили после того, как за основу их конструкции были взяты полупроводниковые термобатареи.
Родиной полупроводниковой термоэлектрической энергетики по праву считается Советский Союз. В 1945 г. научно-исследовательские организации нашей страны начали разработки по созданию термогенераторов как автономных источников постоянного тока для питания радиоаппаратуры. В то время, как указывает один из участников работ А. Н. Воронин, были созданы термогенераторы, работающие на древесном угле и охлаждаемые водой или воздухом. Конструктивная схема одного из таких термогенераторов приведена на рис. 4.25. Мощность установок составляла 4 Вт, КПД генератора с воздушным охлаждением был равен 2,5, с водяным — 3,5 %.
Термогенератор с охлаждением холодных спаев кипящей водой содержал водяную рубашку, внешняя стенка которой служила внешним корпусом генератора.
Рис. 4.25. Термогенератор на древесном угле с водяным охлаждением [59]:
1 — дымовая труба; 2 — бункер для топлива; 3 - топка; 4 — термобатарея; 5 — электрический вывод; 6 — чугунный коллектор охлаждения; 7— кольцевая полость для воды.
Рис. 4.26. Термогенератор ТГК-3 [59].
Термоэлементы из сернистого свинца и сурьмянистого цинка размещались на боковой поверхности многогранной чугунной топки и электрически изолировались от нее слюдой. В генераторе монтировались две самостоятельные, изолированные термобатареи. Одна из них служила для непосредственного питания цепей накала приемника, а другая — для питания анодных и сеточных цепей. Неудобство в обращении из-за постоянного кипения воды обусловило разработку другого типа термогенератора, в котором водяное охлаждение было заменено воздушным. В термогенераторах этого типа термоэлементы изготавливались из сурьмянисто-цинкового сплава с небольшими примесями других металлов (положительная ветвь) и константана (отрицательная ветвь). Положительная ветвь выполнялась в виде параллелепипеда с заделанными Константиновыми проволоками у верхнего и нижнего его оснований, что облегчало сборку термоэлементов в батареи. Термогенераторы на древесном угле характеризовались недостаточным удобством обслуживания. По этим причинам дальнейшее развитие термоэлектрических генераторов пошло по пути использования жидкого топлива [19, 59].
За короткий срок в нашей стране был освоен серийный выпуск термогенераторов типа ТГК-1, ТГК-3, ТГК-2-2, источником тепла которых являлась керосиновая лампа; ТГК-9, ТГК-10, ТГУ-1, в которых осветительная лампа была заменена керогазом; ТГК-18, ТГК-36 и др. [19, 26, 27, 32, 59].
Термогенератор ТГК-1, работающий на десятилинейной керосиновой лампе, содержал термоэлементы из сурьмянисто-цинкового сплава и константана. Мощность, развиваемая термогенератором, составляла 1,6 Вт при напряжении одной батареи 1,2 В и второй 1,7 В. Термогенератор ТГК-1 обеспечивал питание приемников В-912, «Воронеж» и «Тула», причем цепи анода и накала питались через вибропреобразователь. Испытания небольшой выпущенной серии показали высокие эксплуатационные качества. Аналогичную конструкцию имел термогенератор марки ТГК-3 (рис. 4.26), предназначенный для питания радиоприемников «Родина-47», «Родина-52», «Искра», Б-2. Для исключения помех, вызываемых вибропреобразователем, завод, выпускавший ТГК-3, перешел на изготовление другого термогенератора — ТГК-2-2 с высоковольтной батареей из 2600 термоэлементов, служившей для непосредственного питания анодных цепей на напряжение 120 В при токе 8 мА. Срок службы составлял несколько тысяч часов, расход керосина около 40 г/ч, КПД - 0,2 % [26, 59].
Дальнейшее развитие термогенераторов на керосиновом топливе по пути повышения мощности привело к разработке в 1954—1955 гг. термогенераторов с источником тепла в виде керогаза. Термогенераторы ТГК-9, ТГК-10 и ТГУ-1 конструктивно мало отличались друг от друга. Термоэлементы были выполнены аналогично термоэлементам генератора ТГК-3, но имели другие размеры.
Рис. 4.27. Термогенератор ТГУ-1 [59]:
1 — термобатарея; 2 — охлаждающий радиатор; 3 — горелка керогаза.
Мощность, развиваемая термогенератором ТГК-9, составляла 9,6 Вт. Термогенератор ТГК-10 обеспечивал мощность не менее 10,8 Вт. Эти устройства предназначались для питания радиоузлов типа КРУ-2, широко распространенных в то время особенно в сельской местности. Термогенератор ТГУ-1 мощностью 14 Вт (рис. 4.27) предназначался для питания радиостанции «Урожай» типа У-2 [19, 26, 59].
В дальнейшем на основе идей, заложенных в термогенераторах типа ТГК и ТГУ, в нашей стране и за рубежом были разработаны новые конструкции термоэлектрических преобразователей, в которых в качестве источников тепла применялось жидкое топливо. В 1959 г. был разработан термогенератор типа ТГК-36 электрической мощностью 36 Вт для питания районных радиоузлов (рис. 4.28). Каждый из двух ТГК-18, входящих в состав термогенераторов, снабжался керогазовой горелкой типа «Саратов» [59].
Термогенераторы на газообразном топливе в первую очередь разрабатывались для катодной защиты трубопроводов различного назначения (в частности, магистральных газо- и нефтепроводов) от блуждающих токов и влияния агрессивных сред.
Рис. 4.28. Термогенератор ТГК-36 [59]:
1 — блок ТГΚ-18; 2 — керогаз; 3 — емкость для керосина; 4 — приборный щит.
Суть метода катодной защиты заключается в том, что на металлические трубы подается небольшой отрицательный потенциал (относительно земли), препятствующий реакции окисления железа. В нашей стране разработано и создано несколько типов термогенераторов для катодной защиты различной мощности от 10 до 1000 Вт. Первыми из них были: термогенераторы типа ТГК-10 и ТГК-16, разработанные в 1958— 1959 гг. для газопровода Дашава — Киев. Эти генераторы имели по одной батарее термоэлементов (ток 1 А при 10—12 В — для ТГК-10 и 16—18 для ТГК-16) и работали на газовом топливе. В термогенераторе ТГК-16 (рис. 4.29) был применен усовершенствованный способ· отвода тепла от горячих газов с помощью перфорированных дисков. Низкий КПД в этих установках не являлся существенным фактором, так как расход топлива составлял малую величину [32, 44, 59].
Рис. 4.29. Конструкция термогенератора ТГК-16:
1 — термобатарея; 2 — теплопередатчик; 3 — охлаждающее ребро; 4 — диски теплопередатчика; 5 — асбестовый фланец; 6 — газовая горелка; 7 — газопровод.
Эффективным источником питания для катодной защиты явился генератор ТЭГ-50, созданный в 1964 г. А. Н. Ворониным и сотрудниками Института полупроводников АН СССР (Ленинград). Мощность установки составляла 50 Вт, рабочий перепад температур 220—270°. Другой, еще более мощной моделью явился термогенератор для катодной защиты ТЭГ-300, состоявший из четырех самостоятельных батарей по 384 термоэлемента в каждой, которые в зависимости от их переключения могли давать напряжение от 4 до 24 В. Термогенераторы ТЭГ-300 обеспечивали защиту до 40 км газопровода [32].
В США к серийному выпуску термоэлектрической аппаратуры приступили лишь в 1960 г.
До этого времени термоэлектрические генераторы создавались главным образом по заказу военных сил США. Кроме того, если к началу 60-х годов в СССР уже отказались от выпуска термогенераторов с керосиновыми лампами и керогазами в качестве источника нагрева, то в США термогенераторы такого типа только начали поступать к потребителю. Так, например, фирмой «Миннесота майнинг энд мэньюфекчуринг» (общепринятое сокращенное название этой фирмы ЗМ) в 1962 г. по заказу правительства Мексики были выпущены маломощные термогенераторы, потребляющие в сутки 0,47 л бензина [26, 59].
Фирмой ЗМ была также разработана и испытана серия термогенераторов, предназначенных для питания радиоустановок и освещения служебных железнодорожных вагонов [32]. Кроме того, она выпускала термоэлектрические генераторы в качестве источников энергии для привода вентилятора системы газового отопления. Топливом служил пропан. На основе опытной эксплуатации в течение трех зимних сезонов был сделан вывод, что термогенераторы экономически выгоднее химических источников тока при уровне мощности более 2,5 Вт и дизельных генераторов до 300 Вт [114, 153].
Фирмой «Вестингхауз» разрабатывались термогенераторы на основе теллуристого свинца, работавшие на газолине или пропане с принудительным конвективным теплообменом для охлаждения холодных спаев. КПД генератора составлял 1,4 % при удельной мощности 20 Вт/кг. Общая мощность генератора достигала 267 Вт [32]. В 1960 г. этой фирмой был создан экспериментальный 100 ваттный термогенератор по заказу военно-воздушных сил США. Термогенератор также работал на пропановом топливе и содержал около 140 термоэлементов с переменным составом вдоль ветвей. Положительная ветвь была составлена из теллурида германия и сурьмянистого цинка, отрицательная ветвь содержала арсенид индия, теллурид висмута и теллурид свинца. Эффективность термоэлемента достигала 6,5, КПД установки в целом составлял 2,4 % [103]. Следует отметить, что использование в термобатарее ветвей с переменным составом было впервые предложено в 1949 г. А. Ф. Иоффе. Он установил, что при комнатной температуре концентрация электронов должна составлять (1—4) · 1019 в см3; при 1000 °С абсолютная концентрация должна повышаться до (10—15) 1019. При выполнении этих условий, по мнению А. Ф. Иоффе, термобатареи могут обладать КПД, превышающим 10 % [35].
На симпозиуме по термоэлектрическому преобразованию в Далласе сообщалось о создании фирмой «Вестингхауз» генератора для морского флота. В качестве термоэлектрического материала в нем использовались сплавы германия, висмута и теллура. Термогенератор состоял из двух блоков общей мощностью 5 кВт. Каждый блок состоял из 14 батарей по 85 термопар. Нагрев осуществлялся сгоранием керосина или другого вида жидкого топлива, охлаждение холодных спаев обеспечивалось водой [104]. Этот проект являлся первым шагом в решении проблемы постройки высокомощных термоэлектрических станций. Предполагалось, что эффективность термогенератора при использовании многокаскадной схемы может достигать 35 %. Такого мнения придерживался один из ведущих специалистов США в области термоэлектрического преобразования энергии — К. Зинер [100]. Другие исследователи также считали, что термоэлектрической энергетике принадлежит большое будущее.
Об интенсивном развитии термоэлектрических источников тока свидетельствует тот факт, что за период с 1958 по 1968 гг. из США, Франции, Англии и ФРГ во Всесоюзную патентно-техническую библиотеку поступило 270 описаний изобретений, связанных с термогенераторами, тогда как фотоэлектрические источники тока в этих же странах были защищены 107 патентами, топливные элементы — 181 патентом, а термоэмиссионные, магнитогидродинамические и другие виды источников тока — 150 патентами. В ходе анализа поступивших описаний установлено, что наибольшее внимание термоэлектрическому методу преобразования энергии среди высокоразвитых капиталистических стран уделялось в США и Франции [74]. Однако оптимистические прогнозы в области термоэлектричества не оправдались.
Для широкого распространения термоэлектрических источников тока большой мощности необходимо было достичь высокого уровня добротности термоэлектрических материалов до 10 · 10~~3 К-1. Несмотря на все усилия получить такие высокоэффективные материалы, этот параметр не превышал 3 · 10-3 (см. гл. 3). Поэтому в середине 60-х годов исследователям стало ясно, что разработка высокомощных термогенераторов на химическом топливе экономически невыгодна. Но создание термогенераторов для различных целей небольшого диапазона по мощности оставалось по-прежнему привлекательным. Так, в 1966 г. фирма «Вестингхауз» разработала две модификации термогенераторов мощностью 20 и 35 Вт, предназначенных для аварийного питания, электропитания микроволновых релейных станций, исследовательских станций, океанографических приборов, средств навигации, подводных линий связи, катодной защиты подземных сооружений, нефтепроводов [168]. Особенностью этих генераторов явилось их изготовление в модульном исполнении, что позволило упростить процесс сборки генератора и его ремонт.
Особое внимание термогенераторам на химическом топливе морского назначения уделялось в разработках фирмы «Дженерал инструмент». В 1962 г. был создан 10-ваттный термогенератор для питания маяков и буев, а также океанографических исследовательских установок [94]. Генератор работал на пропановом топливе и был рассчитан на эксплуатацию в условиях сильных волн. Этой же фирмой был изготовлен усовершенствованный термогенератор мощностью 30 Вт для энергоснабжения метеорологической плавучей станции НОМАД [87]. Кроме того, изготавливались термогенераторы типа «Темар» и «Телан», предназначенные для питания буев, которые содержали газовую горелку с каталитическим сжиганием топлива [160]. Однако термоэлектрические генераторы на химическом топливе не получили широкого распространения в качестве источников питания установок морского назначения, так как в этот период большие успехи были достигнуты в развитии радиоизотопных термоэлектрических генераторов, обладающих более высоким ресурсом работы.
Фирма «Дженерал инструмент» выпускала термогенераторы марки «Декап» наземного назначения на натуральном газовом топливе. Мощность термогенераторов составляла 18, 27, 36, 54 и 72 Вт, их особенностью явилось использование съемной беспламенной горелки, рассчитанной на пятилетний срок непрерывной работы. Термогенераторы предназначались для катодной защиты газопроводов или подземных сооружений [145]. В этой же фирме рассматривалась возможность использования термогенераторов в качестве источников питания для радиостанций метрового диапазона, расположенных в удаленной местности. Сравнение различных источников питания для приемно-передающих СВЧ станциях, таких, как аккумуляторные батареи, солнечные батареи, генераторы, приводимые в действие различного рода двигателями, и термогенераторы, показало, что для СВЧ станций мощностью более 4 Вт термоэлектрические преобразователи экономически более выгодны, чем любые другие источники питания [159].
Термогенераторы на химическом топливе получили развитие практически во всех высокоразвитых странах. Кроме США такие термоэлектрические установки были созданы в ФРГ, Франции, Великобритании, Японии. В ФРГ фирмой «Грюндиг» был выпущен термогенератор, предназначенный для питания переносной маломощной радиоаппаратуры, источником тепла для которого служил специальный малогабаритный примус, заправляемый керосином или бензином, емкостью 0,6 л, что обеспечивало работу генератора в течение 6 ч. Мощность установки составляла 3 Вт, ее масса — 1,6 кг [105].
В Голландии в 1956 г. был разработан термогенератор с нагревом от керосиновой лампы, аналогичный термогенераторам, созданным в нашей стране. Наиболее существенным их отличием от советских образцов являлось использование не полупроводниковых материалов, а металлических [26].
В 1968 г. голландский инженер И. Брунклаус теоретически обосновал и разработал конструкцию термогенератора на химическом топливе, КПД которого был повышен за счет использования так называемого явления внутренней рекуперации, т. е. процесса весьма интенсивного теплообмена, возникающего при пропускании охлаждающего газа через продольные отверстия или каналы в стенке, между сторонами которой существует разность температур. Для реализации этого коммутационные шины холодной стороны изготавливались из электропроводящего пористого материала или из сплошной пластины с выполненными в них разрезами. Расчеты показали, что при охлаждении воздухом и последующем использовании нагретого воздуха для процесса горения можно увеличить КПД термогенератора до 23 % [97].
Во Франции к работам по созданию термогенераторов приступили в начале 50-х годов. В 1955 г. были выпущены промышленностью термогенераторы с газовыми горелками. Небольшой баллон с газом (бутан) весом 4 кг обеспечивал непрерывную работу термогенератора на полную мощность в течение 150 ч [77].
С 1961 г. разработку термоэлектрических генераторов начала фирма «Алькатель» и через четыре года выпустила термогенератор мощностью 70 Вт массой 25 кг на углеводородном топливе [82]. Разработанный этой же фирмой термогенератор мощностью 40 Вт с термоэлементами на основе теллурида висмута был снабжен автоматической системой для повторного зажигания горелки непосредственно от термоэлектрических модулей в случае погашения пламени [149]. Здесь же выпускались термогенераторы серии «Газель» с бутановым или пропановым обогревом, предназначенные для питания объектов, потребляющих от 5 до 300 Вт [123].
В конце 60-х годов фирма «Томсон-ЦСФ» выпускала несколько типов стандартных моделей термогенераторов мощностью 25, 50 и 100 Вт. Был разработан и 200-ваттный термогенератор для длительной подводной эксплуатации. В генераторе использовались каскадные термоэлементы на основе сплавов германий — кремний, теллурид свинца и теллурид висмута. КПД установки достигал 10 %. С начала 70-х годов термогенераторы фирмы типа ТГ-50 и ТГ-100 применялись во Франции, Африке и Южной Америке для питания радио- и аэронавигационных маяков, а также радиорелейной многоканальной связи в области частот 406—470 МГц. В Ливии, например, с 1970 г. работали пять станций, каждая из которых состояла из двух генераторов мощностью 50 Вт, 23 станции этого типа были смонтированы в Заире из термогенераторов тина ТГ-100. Кроме того, термогенераторы такого типа использовались для катодной защиты газопровода в Сахаре [164].
Девять термогенераторов фирмы «Петбоу» мощностью по 188 Вт при напряжении 12 В установлены с интервалом 64 км для катодной защиты нефтепровода в Ливии [167].
В Норвегии, как сообщалось на 2-й Международной конференции по термоэлектрическому преобразованию энергии (Арлингтон, США, 1978), разработан термоэлектрический источник энергии, отличающийся высокой надежностью даже в зимних условиях и бесшумностью работы. Источником тепла служили брикеты прессованного угольного топлива [147].
Фирмой «Ниппон электрик» разработан термогенератор, работающий на жидком топливе. Устройство включает горелку с ультразвуковым распылителем и систему подачи топлива с электронной стабилизацией расхода. Термогенератор предназначен для питания систем радиосвязи в неэлектрифицированных районах. Предусмотрено автоматическое регулирование расхода при изменении нагрузки. Термогенератор работоспособен при температуре окружающего воздуха от —55 до +55 °С и на высоте до 3000 м над уровнем моря [146].
Наша страна по-прежнему удерживает первенство в области термоэлектрических генераторов на химическом топливе. Особенно большое внимание уделяется развитию термогенераторов для катодной защиты. Исследования показали, что газопровод без электрической защиты, например, в районе Москвы может выйти из строя через шесть месяцев, в Краснодаре срок действия электрически незащищенных трубопроводов не превышает трех лет, а замена одного километра труб в средней полосе Европейской частя СССР стоит 20 тыс. р. Поскольку в нашей стране трассы нефте- и газопроводов расположены зачастую в труднодоступных областях (пустыни Средней Азия, заболоченные районы Сибири), то применение именно термогенераторов для катодной защиты в этих районах экономически целесообразно и перспективно (44, 59].
Рис. 4.30. Подводный термогенератор на газовом топливе ТЭГГ-ПВ [76]:
1 — термобатарея; 2 — холодная плита; 3 — вытяжная труба; 4 — ветро-дождезащитное устройство; 5 — запальные свечи; 6 — горелка инфракрасного излучения; 7 — плоское стекло; 8 — иллюминатор; 9 — металлический кожух; 10 — горячая плита.
Азербайджанскими специалистами разработан подводный полупроводниковый термогенератор на газовом топливе для катодной защиты морских индивидуальных оснований. Опытная конструкция такого генератора ТЭГГ-ПВ (рис. 4.30) испытывалась на коррозионной станции института «Гипроморнефть» на южной эстакаде НГ1У «Артемнефть». Генератор содержал четыре последовательно соединенные батареи размером 130 X X 130 мм, зажатые между двумя плитами (холодной и горячей). Горячая плита разогревается двумя беспламенными горелками инфракрасного излучения и благодаря большой теплопроводности обеспечивает равномерное распределение температуры по всей площади горячих спаев [76].
Термогенераторы из проницаемых термоэлементов серии ПМГ разработаны в Институте технической теплофизики АН УССР. Они изготовляются из металлических термопар, помещенных в перфорированные пластины из высокотемпературной керамики [42].
Дальнейшее улучшение конструкций и эксплуатационных характеристик термоэлектрических генераторов па органическом топливе было достигнуто в нескольких сериях термоэлектрических универсальных газовых модулей ВНИИТа. Термопреобразователи первой серии У ГМ-50 испытывались в районе Якутска. Результаты испытаний еще раз подтвердили перспективность эксплуатации такого рода автономных термоэлектрических установок в сложных климатических условиях. Следующей серией термогенераторов на газовом топливе являются установки УГМ-80. Из этих модулей собраны установки мощностью 480 Вт, использующиеся для питания радиорелейных станций, расположенных вдоль газопровода Таас — Тумус — Якутск.
Кроме того, разработаны термогенераторы ГКЗ-1М мощностью 1,1 кВт, предназначенные для питания радиорелейных станций на газопроводе Вуктыл — Ухта. Генератор» снабжены системами автоматики и стабилизации электрического напряжения. Установки, разработанные во ВНИИТе, успешно используются также в качестве автономных источников электроэнергии, работающих на баллонном, сжиженном топливе [6].
Повышение экономичности эксплуатации по сравнению с термогенераторами серии УГМ-80 было достигнуто при разработке установок УГМ-1, УГМ-10 и УГМ-200, которые относятся к термогенераторам второго поколения. Возросшая эффективность этих установок в основном обусловлена оптимальным выбором конструктивных решений [29].
В термогенераторе УГМ-100СХ, разработанном для электропитания сельскохозяйственных объектов, применен трубный термоэлектрический модуль, причем подвод к нему, а также отвод тепла осуществлен кипящим теплоносителем, циркулирующим в замкнутых контурах. Ресурс работы установки — пять лет, расход топлива — 3 г/(Вт·ч). Габаритные размеры 102 X 540 X 1400 мм, масса установки 10 кг [29].
Эффективность термоэлектрических универсальных газовых модулей второго поколения повышена за счет интенсификации теплоотвода от холодных спаев. Дальнейшее снижение удельного расхода топлива и улучшение технико-экономических показателей термогенераторов возможно по пути повышения температуры на горячих спаях до 450—550 °С. Этот способ реализуется в установках третьего поколения — в термоэлектрических преобразователях, в которых применимы каскадные термоэлементы. Автономная электростанция, составленная из таких модулей общей мощностью 3000 Вт, может обеспечить надежную катодную защиту газопровода практически любой мощности.
Советские специалисты предложили еще один путь повышения экономичности термоэлектрических установок на органическом топливе, а именно: применение комбинированных конструктивных схем термогенераторов. Эффективной является двухконтурная термоэлектрическая установка, в которой отбор тепла от топочных газов осуществляется последовательно. Сначала топочные газы охлаждаются в теплоприемнике с размещенными на нем каскадными термоэлементами, а затем — в дополнительном термоэлектрическом преобразователе с водяной тепловой трубкой и низкотемпературными термоэлектрическими элементами.
Как отмечалось на Всемирном электротехническом конгрессе (Москва, 1977), термоэлектрические универсальные газовые модули на выработку одного ватт-часа электрической энергии будут расходовать около 2,5—2 г топлива, что сделает их более экономичными, чем любые другие типы автономных необслуживаемых станций малой энергетики мощностью от 1 Вт до 4 кВт [29].
