УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДА ОТ КОРРОЗИИ
DEVICE FOR THERMOELECTRIC PROTECTION OF PIPELINE FROM CORROSION

Предлагаемое изобретение относится к оборудованию для систем защиты подземных и подводных трубопроводов от коррозии, а именно для получения электрической энергии для питания катодной станции за счет тепла перемещаемого газа или жидкости в трубопроводе.
Известно устройство для совместной защиты от коррозии подземных металлических объектов, содержащее источники питания, анодные заземления, блоки питания и электроды сравнения [Патент РФ №656374, МПК C23F 13/00, 2000].
Основным недостатком известного устройства является необходимость постоянного электроснабжения источников питания от электросети, что снижает его надежность и эффективность.
Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является автономное устройство для катодной зашиты трубопроводов, содержащее источник питания (ЭДС), соединенный с анодным заземлением и защищаемым трубопроводом, причем источник ЭДС представляет собой движущий орган, который передает кинетическую энергию движущегося потока газа (жидкости) в трубопроводе на вал генератора через стабилизатор частоты в силовой блок, где преобразуется в необходимое для катодной защиты напряжение [Патент РФ №2425295, МПК C23F 13/00, 1995].
Основными недостатками известного устройства являются сложность его конструкции, которая включает в себя, как минимум, турбину и электрогенератор, и создаваемое турбиной дополнительное гидравлическое сопротивление в защищаемом трубопроводе, что снижает надежность и эффективность устройства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности устройства для термоэлектрической защиты трубопровода от коррозии.
Предлагаемое устройство для термоэлектрической защиты трубопровода от коррозии содержит источник ЭДС с регулирующим блоком, совмещенные с участком защищаемого трубопровода и соединенные с ним анодным заземлителем и блоком управления соединительными кабелями, причем источник питания представляет собой два полукольца, 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 размещенных по очередности и 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, вблизи кромки продольных ребер и поверхности участка трубопровода параллельно их поверхности, при этом свободные концы теплоэлектрических секций каждого ребра 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.
На фиг.1 представлены общий вид и разрез устройства для термоэлектрической защиты трубопровода от коррозии, на фиг.2 - общий вид источника питания (ЭДС), на фиг.3-7 - разрезы источника питания, на фиг.8 - узел термоэмиссионного преобразователя.
Предлагаемое устройство для термоэлектрической защиты трубопровода от коррозии содержит источник питания 1 с регулирующим блоком 2, совмещенные с участком защищаемого трубопровода 3 и соединенные с ним анодным заземлителем 4 и блоком управления 5 соединительными кабелями 6, 7, 8, соответственно, источник питания 1 представляет собой два полукольца 9 и 10, оребренных продольными ребрами 11 и снабженных продольными фланцами 12 с крепежными отверстиями 13, выполненными из гидростойкого диэлектрического с высокой теплопроводностью материала 14, покрывающих участок 15 защищаемого трубопровода 3, причем внутри продольных ребер 11 по всей их длине помещены зигзагообразные ряды теплоэлектрических секций (ТЭС) 16, состоящие из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 17. Каждый ТЭП 17 состоит 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, вблизи кромки ребер 11 и поверхности участка трубопровода 15 параллельно их поверхности, соответственно, при этом свободные концы ТЭС 16 каждого ребра 11 с одной стороны соединены через токовыводы с одноименными зарядами 18 с регулирующим блоком 2, а с другой - через коллекторы 19, токовыводы с одноименными зарядами 20 и кабель 8 с анодным заземлителем 4.
Предлагаемое устройство для термоэлектрической защиты трубопроводов от коррозии, представленное на фиг.1-8, работает следующим образом.
Источник ЭДС 1 устанавливается в процессе монтажа на защищаемом участке трубопровода 3, для чего два полукольца 9 и 10, оребренных продольными ребрами 11 и снабженных продольными фланцами 12 с крепежными отверстиями 13, накладываются на участок 15 трубопровода 3 и крепятся к нему посредством стяжки через крепежные отверстия 13.
П
С
П
С
После заполнения трубопровода 3 и начала движения в нем потока газа (жидкости) с температурой t, например, ниже, чем температура грунта (воды) t, который соприкасается с наружной поверхностью источника ЭДС 1, выполненного из гидростойкого диэлектрического с высокой теплопроводностью материала 14, в результате разности температур t-t происходит теплообмен между холодным газом (жидкостью), движущимся по трубе 4 и окружающим грунтом (водой), нагреваются и охлаждаются зоны нагрева и охлаждения, состоящие из слоя материала 14, внутри которого помещены спаянные двухслойные расплющенные концы ТЭП 17, выполненные из металлов М1 и М2, расположенные параллельно поверхности трубы 3 в зоне полуколец 9 и 10 и параллельно продольным ребрам 11 в их зоне. Конструкция двухслойных концов ТЭП 17 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 полуколец 9, 10 и ребер 11 к спаям металлов М1 и М2 ТЭП 17 интенсифицируется за счет передачи его теплопроводностью, 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 17, выполненными из металлов М1 и М2, расположенными в кромках ребер 11 и противоположными им спаянными концами этих же отрезков металлов М1 и М2, расположенных в полукольцах 9 и 10. Создаваемая разность температур между зонами нагрева и охлаждения вызывает эмиссию электронов во всех ТЭП 17 и, соответственно, возникновение в зигзагообразных рядах ТЭС 16 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. - М.: «Наука», 1970, с.502-506], которое через тоководы 18 и регулирующий блок 2 при требуемом напряжении и силе тока через соединительный кабель 6 по команде с блока управления 5 подается на защищаемый участок трубопровода 3.
П
С
Величина разности электрического потенциала и силы тока на токовыводах 18 источника питания (ЭДС) 1 зависит от разности температур на спаях металлов М1 и М2, их характеристик, количества ТЭП 17 в ТЭС 16 и их числа. При необходимости устанавливают несколько источников питания 1. Требуемые напряжение U и силу тока I в зависимости от расхода газа (жидкости) и величины разности температур (t-t) регулируют путем команд с блока управления 5 в регулирующий блок 2, который отключает или включает ТЭС 16 в источнике питания 1.
Эффективность предлагаемого устройства можно подтвердить примером. При проведении экспериментальных исследований было установлено, что одна термоэлектрическая секция с теплообменной поверхностью размерами 170×120 мм и числом ТЭП n=180 шт. позволяет при средней разности температур между греющей и охлаждающей средами, равной 100°C, получить электрический ток с напряжением U=(1,2-1,5) В, силой тока I=(0,08-0,1) А и мощностью N=(0,2-0,22) Вт. При этом на получение электрической энергии расходовалось от 1 до 2-3% от общего количества тепла, переданного через теплообменную поверхность. В качестве металлов M1 и М2 для изготовления ТЭП использовали известную пару «хромель - копель» [Ежов B.C., Семичева Н.Е. /Использование низкопотенциальной тепловой энергии для электроснабжения зданий/. Известия Юго-Западного государственного университета. - Курск, №1, 2012. - С. 56-62; Ежов B.C., Семичева Н.Е. Косинов А.В., Лысенко И.В., Пивоваров А.С. /Комплексное использование солнечной энергии и термоэлектрического эффекта для электроснабжения здания/. Вестник центрального регионального отделения. Российская академия архитектуры и строительных наук. - Курск-Воронеж, вып. 12 - 2013. С. 150-156].
Выходные энергетические параметры станций катодной защиты (СКЗ), выпускаемых в России, следующие: номинальное выходное напряжение - 50 В; номинальная выходная сила тока - 60 А; номинальная выходная мощность - 3000 Вт [Семенов А.Г., Сыса Л.П. /Что такое электрохимическая защита и как выбрать катодную станцию/ Новости теплоснабжения, №10 (50), 2004].
общ
2
Расчет, с использованием вышеприведенных экспериментальных данных, показывает, что для получения напряжения U=50 В требуется секция с числом ТЭП n=9000 шт., которая обеспечит силу тока, равную 4 А, а для получения силы тока 60 А и мощности N=3000 Вт потребуется 15 секций с общим числом ТЭП n=135000 шт. Требуемая теплообменная поверхность источника питания для СКЗ будет равна 15 м, и его длина зависит от диаметра трубопровода. Так, например, для трубопровода диаметром 500 мм длина источника питания будет равна 8,6 м.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает автономное энергоснабжение станции катодной защиты с требуемыми выходными параметрами, позволяет упростить конструкцию источника питания, регулировать параметры тока в зависимости от расхода и температуры перекачиваемого газа или жидкости, что, в конечном итоге, обеспечивает надежность и эффективность защиты трубопроводов от коррозии.