Автономный кожухотрубчатый термоэлектрогенератор
AUTONOMOUS SHELL-AND-TUBE THERMOELECTRIC GENERATOR

Предлагаемое изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может быть использовано для получения электрической энергии в процессе транспортирования в трубах различных теплоносителей (газов, жидкостей) путем непосредственной трансформации части их тепловой энергии в электрическую.
Известен источник ЭДС в устройстве для термоэлектрической защиты трубопровода от коррозии, содержащий два полукольца (полукожуха), оребренных продольными ребрами и снабженных продольными фланцами с крепежными отверстиями, выполненными из гидростойкого диэлектрического с высокой теплопроводностью материала, покрывающих часть защищаемого трубопровода, причем внутри продольных ребер по всей их длине помещены зигзагообразные ряды теплоэлектрических секций, состоящие, из соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, состоящих из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены и плотно прижаты друг к другу и расположены в зоне нагрева и охлаждения, при этом свободные концы теплоэлектрических секций с одной стороны соединены через токовыводы с одноименными зарядами с регулирующим блоком, с противоположной – через коллекторы, токовыводы с одноименными противоположными зарядами и кабель с анодным заземлителем [Патент №2550073, МПК С23 F13/00, 2015].
Недостатками известного устройства являются невозможность замены вышедших из строя термоэмиссионных преобразователей или термоэлектрических секций на действующем трубопроводе, без разрушения покрытия из диэлектрического материала, значительные потери вырабатываемого электричества из–за большого электрического сопротивления, соединенных последовательно термоэлектрических секций, что снижает его надежность и эффективность.
Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является автономный термоэлектрогенератор на трубопроводе, содержащий участок трубопровода, на котором расположены по всей его длине окружные теплоэлектрические секции, соединенные между собой перемычками, образуя термоэлектрический блок, снабженный токовыводами с одноименными зарядами, каждая окружная теплоэлектрическая секция состоит из нескольких окружных параллельных рядов, составленных из размещенных зигзагообразно по очередности друг за другом термоэмиссионных преобразователей, каждый  из которых состоит из пары  отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены, плотно прижаты друг к другу и соединены между собой (сваркой или спайкой), образуя верхние и нижние спаи, которые в каждом окружном параллельном ряду продольно соединены между собой и зажаты двумя парными верхними и нижними параллельными продольными крепежными полосами, покрытыми совместно со спаями с наружных продольных торцов слоем диэлектрического материала, причем участок трубопровода, на котором расположены окружные теплоэлектрические секции закрыт цилиндрическим кожухом, выполненным из коррозионноустойчивого материала с высокой теплопроводностью и состоящим из двух полуцилиндрических кожухов, снабженных продольными фланцами с крепежными отверстиями, которые обеспечивают плотное прижатие торцов спаев термоэмиссионных преобразователей совместно с наружными продольными торцами верхних и нижних крепежных полос к наружной поверхности  участка трубопровода и внутренней поверхности цилиндрического кожуха [Патент №2676551, МПК С23 F13/00, 2019].
Основными недостатками известного устройства являются контакт  верхних термоэлектрических преобразователей со средой через стенку кожуха, что увеличивает термическое сопротивление теплопередаче и, соответственно, уменьшает температуру охлаждения этих термоэлектрических преобразователей, а в случае подземной прокладки трубопровода вызывает постепенный нагрев зоны грунта, соприкасающегося с кожухом, что также уменьшает температуру охлаждения вышеупомянутых спаев, соединение теплоэлектрических секций через электрические конденсаторы, что усложняет конструкцию устройства и, в конечном счете, снижает его надежность и эффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности автономного кожухотрубчатого термоэлектрогенератора.
Технический результат достигается автономным кожухотрубчатым термоэлектрогенератором, содержащим участок трубопровода, на котором расположены по всей его длине продольные теплоэлектрические секции, соединенные перемычками с одноименными коллекторами электрических зарядов, образуя термоэлектрические блоки, снабженные токовыводами с одноименными зарядами, каждая теплоэлектрическая секция состоит из составленных параллельно по очередности друг за другом термоэлектрических преобразователей, каждый из которых состоит из пары параллельныхотрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены, плотно прижаты друг к другу и соединены между собой (сваркой или спайкой), образуя верхние и нижние спаи, причем нижние спаи в каждой теплоэлектрической секции согнуты под углом 90°, продольно соединены между собой сверху уголком, выполненным из материала с высокой теплопроводностью и зажаты с противоположной стороны параллельной крепежной полосой, выполненной из диэлектрического материала, торцы которой совместно с торцами уголка прижаты к поверхности трубопровода прижимными кольцами,  сами нижние спаи и нижняя часть термоэлектрических преобразователей покрыты слоем диэлектрического материала, пространство участка трубопровода между нижними спаями на высоту крепежных полос заполнено теплоизоляционным материалом, причем участок трубопровода, на котором расположены теплоэлектрические секции закрыт цилиндрическим кожухом, выполненным из коррозионноустойчивого материала и состоящим из двух полуцилиндрических кожухов, снабженных продольными фланцами с крепежными отверстиями и торцевыми крышками внутренняя поверхность полуцилиндрических кожухов по периметру снабжена завихрителями, расположенными относительно оси трубопровода под углом 45°, причем: вариант для подземной прокладки трубопровода – верхний полуцилиндрический полукожух снабжен двумя вертикальными заборными трубами, расположенными по краям полуцилиндрического кожуха, снабженными заборными щелями и заглушенными сверху коническими шляпками, посреди кожуха устроена вертикальная вытяжная труба высотой Н, снабженная дефлектором; вариант для наземной прокладки трубопровода – в полуцилиндрических кожухах отсутствуют торцевые крышки, а верхнем полукожухе отсутствуют вертикальные заборные трубы.
На фиг. 1–7 представлен автономный кожухотрубчатый термоэлектрогенератор (АКТТЭГ) (фиг. 1, 2–общий вид и разрез АКТТЭГ, фиг. 3–узел стыковки термоэлектрических блоков (ТЭБ), фиг. 4–теплоэлектрическая секция (ТЭС), фиг. 5, 6–узлы термоэлектрических преобразователей (ТЭП), фиг. 7–узел завихрителя.
Предлагаемый автономный кожухотрубчатый термоэлектрогенератор  (АКТТЭГ) содержит участок трубопровода 1, на котором расположены по всей его длине продольные теплоэлектрические секции (ТЭС) 2, соединенные перемычками 3 с одноименными коллекторами электрических зарядов 4 и 5, образуя термоэлектрические блоки (ТЭБ) 6, снабженные токовыводами с одноименными зарядами 7 и 8, каждая ТЭС 2 состоит из составленных параллельно по очередности друг за другом термоэлектрических преобразователей (ТЭП) 9, каждый из которых состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены, плотно прижаты друг к другу и соединены между собой (сваркой или спайкой), образуя верхние и нижние спаи 10 и 11, причем нижние спаи в каждой ТЭС 2 согнуты под углом 90°, продольно соединены между собой сверху уголком 12, выполненным из материала с высокой теплопроводностью и зажаты с противоположной стороны параллельной крепежной полосой 13, выполненной из диэлектрического материала, торцы которой совместно с торцами уголка 12 прижаты к поверхности трубопровода 1 прижимными кольцами 14,  сами нижние спаи 11 и нижняя часть ТЭП 9 покрыты слоем диэлектрического материала 15 (например, термостойким герметиком), пространство участка трубопровода 1 между нижними спаями 11 на высоту крепежных полос 13 заполнено теплоизоляционным материалом 16 (например, пенополистиролом или стекловатой), причем участок трубопровода 1, на котором расположены ТЭС 2 закрыт цилиндрическим кожухом 17, выполненным из коррозионноустойчивого материала (например, стеклопластика) и состоящим из двух полуцилиндрических кожухов 18, снабженных продольными фланцами 19 с крепежными отверстиями (на фиг. 1–7 не показаны) и торцевыми крышками 20, внутренняя поверхность полуцилиндрических кожухов 18 снабжена завихрителями 21, расположенными относительно оси трубопровода 1 под углом 45°, которые обеспечивают вращательное движение охлаждающего воздуха, причем: вариант для подземной прокладки трубопровода– верхний полуцилиндрический полукожух 18 снабжен двумя вертикальными заборными трубами 22, расположенными по краям полуцилиндрического кожуха 18, снабженными заборными щелями 23 и заглушенными сверху коническими шляпками 24, посреди кожуха 18 устроена вертикальная вытяжная труба 25 высотой Н, снабженная дефлектором 26; вариант для наземной прокладки трубопровода– в полуцилиндрических кожухах 18 отсутствуют торцевые крышки 20, а верхнем полукожухе 18 отсутствуют вертикальные заборные трубы 22.
Предлагаемый АКТТЭГ, представленный на фиг. 1–7, работает следующим образом.
АКТТЭГ устанавливается в процессе монтажа или реконструкции трубопровода, для чего, предварительно собранные ТЭС 2, устанавливают по окружности на наружной поверхности участка трубопровода 1, соединяют их перемычками 3 с коллекторами 4, 5 и токовыводами 7 и 8, далее торцы уголков 12 и крепежных полос 13 всех  ТЭС 2 прижимают прижимными кольцами 14 (узлы соединения колец 14 на фиг. 1–7 не показаны) к наружной поверхности трубопровода 1, после чего токовыводы 7 и 8 соединяют с регулирующим блоком и потребителем (на фиг.1–7 не показаны).
При этом, при подземной прокладке трубопровода участок трубопровода 1 находится под землей, заборные трубы 22, снабженные заборными щелями 23 и заглушенными сверху коническими шляпками 24 и вертикальная вытяжная труба 25 высотой Н, снабженная дефлектором 26 находились над поверхностью земли.
При наземной прокладке трубопровода или расположении участка трубопровода 1 в тепловой камере (на фиг. 1–7 не показана) в полуцилиндрических кожухах 18 отсутствуют торцевые крышки 20, а верхнем полукожухе 18 отсутствуют вертикальные заборные трубы 22 и устанавливается только вертикальная вытяжная труба 25 высотой Н.
П
С
Г
Х
Г
Х
После заполнения трубопровода и начала движения в нем потока газа (жидкости) с температурой t выше, чем температура грунта (воздуха) t, который засасывается из окружающей атмосферы через заборные щели 23 заборных труб 22 (при подземной прокладке трубопровода) или через его торцевые щели, образованные отсутствием торцевых крышек 20 (при наземной прокладке участка трубопровода 1 или расположении его в тепловой камере), вовнутрь кожуха 17 за счет самотяги, создаваемой вытяжной трубой 25 с дефлектором 26 высотой Н. Так как внутри кожуха 17 нижние спаи 11 согнуты под углом 90° и прижаты уголками 12 и крепежными полосами 13 через слой диэлектрического материала 15 к наружной поверхностью участка трубопровода 1, то происходит их интенсивный нагрев. При этом, конструкция нижних кромок ТЭС 2 совместно с нижними спаями 11 изолированных друг от друга теплоизоляционным материалом 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 или сваркой) и, таким образом, увеличить температуру их нагрева t. Одновременно, при движении закрученного воздушного потока (кручение воздушного потока происходит в результате расположения завихрителей 21 под углом 45°) происходит интенсивное охлаждение верхних спаев 10 всех ТЭП 9 дол температуры t. Создаваемая разность температур (t – t) между зонами нагрева и охлаждения вызывает эмиссию электронов во всех ТЭП 9 и, соответственно, возникновение в рядах ТЭС 2 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506]. Кроме того, параллельное соединение всех ТЭС 2 с коллекторами 4 и 5 существенно снижает потери мощности на преодоление сопротивлений электричеству при прохождении по многочисленным ТЭП 9. Полученное термоэлектричество от ТЭБ 6 через токовыводы 7 и 8 поступает в блок регулирования, где создается требуемое напряжение и сила тока и подается потребителю (на фиг. 1–7 не показаны).
Наличие кожуха 17 АКТТЭГ предохраняет ТЭП 9 от механических повреждений окружающей средой, от ее коррозионного воздействия и утечки полученного электричества. Высота Н вытяжной трубы 25 выбирается такой чтобы величина самотяги, создаваемая ею, была больше сопротивления воздушному потоку, засасываемому заборными трубами 22, расход которого, в свою очередь, должен обеспечивать достаточное охлаждение верхних спаев 10.
Г
Х
Величина разности электрического потенциала и силы тока на токовыводах 7 и 8 зависит от разности температур на спаях металлов М1 и М2, их характеристик, количества ТЭП 9 в ТЭС 2 и их числа. При необходимости устанавливают несколько ТЭБ 6. Требуемые напряжение U и силу тока I в зависимости от расхода газа (жидкости) и величины разности температур (t–t) регулируют в блоке регулирования. Полученное электричество можно использовать, например, для защиты трубопровода от электрохимической коррозии или электропривода задвижек.
Таким образом, конструкция предлагаемого АКТТЭГ предохраняет термоэлектрические преобразователи от механических повреждений и коррозии, снижает электрическое сопротивление установки, повышая коэффициент полезного действия, обеспечивает возможность замены вышедших из строя термоэлектрических преобразователей или теплоэлектрических секций на действующем трубопроводе, без разрушения смежных теплоэлектрических секций, что повышает его надежность и эффективность.