Термоэлектрический осушитель сжатого газа

Полезная модель относится к устройствам для осушки потоков газов, в частности воздуха, формируемых и транспортируемых под избыточным давлением, и может быть использована при эксплуатации пневматического оборудования, машин и механизмов различного назначения, в системах пневмоавтоматики, при эксплуатации зданий и сооружений, в газовой, химической, топливно-энергетической промышленности, а также в транспортных системах.
Необходимость подготовки сжатых газов с использованием их осушки в первую очередь обусловлена требованиями исключения выпадения конденсата воды и/или ее наморозки внутри коммуникаций и эксплуатируемых устройств, а также различными специфическими требованиями к степени химической очистки. Например, пневмоинструмент и системы пневмоавтоматики при использовании неосушенных газов и воздуха могут быстро выходить из строя за счет коррозии.
В настоящее время для осушки газовых потоков, включая и воздух, используются четыре основных метода, к которым относятся адсорбционный метод (селективное поглощение паров воды на поверхности адсорбционных материалов, например, силикагелей), абсорбционный метод (поглощение паров воды в объеме жидких абсорбентов, например, в водных растворах солей металлов), мембранный метод (селективное удаление паров через поверхность полупроницаемых мембран) и холодильный метод (конденсация паров воды и удаление конденсата при уменьшении температуры за счет снижения давления насыщенного пара).
Наиболее эффективными среди перечисленных методов в смысле степени осушки являются адсорбционный и мембранный, поскольку они позволяют снижать содержание паров воды до величины точки росы порядка минус 40-60°C и ниже (см., например, патенты РФ №83712 (публикация 2009 г.), №116066 (публикация 2012 г.), №2121393 (публикация 1998 г.). Несколько уступает им по степени осушки абсорбционный метод, в т.ч. реализуемый на основе мембранно-контакторных технологий (см., например, патент РФ №2304457 (публикация 2007 г.)).
Перечисленные методы обладают рядом недостатков, основные из которых состоят в следующем:
- адсорбционный метод требует использования сложного технологического оборудования в виде адсорбционных колонн высокого давления с соответствующими коммуникациями и технологическими системами обслуживания. Применяемые адсорбенты требуют периодической регенерации (осушки), которая проводится либо за счет продувки горячим воздухом, либо продувкой осушенным продуктом со сниженным давлением. Если речь идет об осушке заранее компремированного целевого продукта, у которого необходимо сохранить высокое давление, то в технологическом оборудовании неизбежна потеря давления за счет сравнительно высокого гидравлического сопротивления. Кроме того, существуют потери адсорбента за счет его механического разрушения при циклических изменениях давления.
- абсорбционный метод обладает еще большими технологическими недостатками, главным из которых является необходимость восстановления концентрации абсорбирующего вещества в растворе (его регенерация). Это может быть достигнуто осушкой раствора, что связано с фазовыми переходами (термическое испарение воды или ее отдувка) и со значительными энергозатратами.
- мембранный метод является самым энергоэффективным среди перечисленных (отсутствуют фазовые переходы), но у него имеются свои недостатки. Первый из них состоит в том, что подаваемый в мембранную установку сжатый газ должен быть уже предварительно осушен, по крайней мере, до влагосодержания, для которого температура точки росы ниже температуры на любом участке в зоне повышенного давления мембранной установки (условие невыпадения конденсата в самой установке). Второй недостаток состоит в том, что осушительная мембранная установка позволяет получить только часть осушаемого продукта высокого давления, поступающего на ее вход. Потери в проникшем через мембрану потоке низкого давления, уносящего пары воды, могут составить, в зависимости от решаемой задачи, от 10 до 90%. Кроме того, мембранный метод связан со значительными энергозатратами, связанными со сжатием подаваемого или вакуумированием удаляемого газа.
- холодильный метод является эффективным в тех случаях, когда требуется сравнительно не высокая степень осушки сжатых газов. Ее технологическая граница по степени осушки находится в районе +2-+5°C по точке росы. При этом во всем технологическом процессе осушки вода может находиться в виде паровой или сконденсированной жидкой фазы и за счет превышения температуры 0°C не происходит образование снега и льда. При повышении температуры относительная влажность такого осушенного газа только уменьшается. Холодильный метод является наиболее распространенным, поскольку сжатые газы, особенно воздух, с температурой точки росы +2-+5°C является наиболее востребованными продуктами во многих технологических процессах (например, при использовании пневмооборудования и в пневмоавтоматике).
Холодильный метод имеет два принципиально различных способа технической реализации.
В первом из них необходимое для конденсации паров воды охлаждение газа достигается газодинамическими способами. В осушительных устройствах организуют быстрое расширение сжатого газа, сопровождаемое его охлаждением. Например, согласно патенту РФ №2022619 (публикация 1994 г.) устройство осушки воздуха содержит коническую вихревую камеру с тангенциальными конденсатоотводящими окнами и примыкающий к ее узкой части завихритель с входными тангенциальными окнами, выполненными в виде плоских сопел Лаваля с косыми срезами. Данное устройство и принцип его работы предназначены для осушки сжатого воздуха в пневмосистемах буровых установок. Основным недостатком является то, что устройство предназначено для работы в циклическом режиме, а снижение давления осушенного газа в режиме эксплуатации составляют величину порядка 25%. Следствием этого оказывается то, что оно неспособно провести необходимую осушку сжатого газа. Точка росы при таких невысоких потерях давления за счет расширения газа может составлять величину порядка +10°C и значительная часть паровой влаги остается в осушаемом воздухе. Другим недостатком является то, что в устройстве принципиально присутствуют потери давления воздуха и при его использовании необходимы дополнительные энергозатраты на сжатие питающего установку воздуха, которое приводят к его дополнительному нагреву и, как следствие, к снижению эффективности осушки.
Во втором способе используются внешние источники охлаждения. Самыми распространенными устройствами осушки сжатого, еще горячего после компремирования, газа является использование теплообменника, охлаждаемого потоком наружного воздуха (см., например, патент РФ №2170392 (публикация 2001 г.)). При использовании подобных устройств необходимым условием для осушки является то, что поступающий сжатый газ должен иметь температуру, более высокую, чем окружающий воздух. Причем на трассе от компрессора до осушителя он не должен заметно охлаждаться. Если подобное охлаждение имеет место, то там происходит неконтролируемое выпадение конденсата, который трудно поддается удалению. Потери давления в подобных устройствах практически отсутствуют, что является их преимуществом перед рассмотренными выше. Однако степень осушки является низкой (точка росы не превышает температур внешнего воздуха). Выходящий из осушителя воздух имеет 100% относительную влажность (насыщенный пар) и для его использования с целью снижения относительной влажности производят дополнительный нагрев, например, горячим сжатым воздухом, поступающим на осушку, или снижением давления после устройства осушки. Нагрев и снижение давления требуют использования дополнительных устройств и энергозатрат.
Другим вариантом реализации способа осушки с внешним источником пониженной температуры является применение различного рода холодильных машин, что значительно усложняет конструкцию, но зато позволяет достигать любой степени осушки вплоть до допустимой точки росы +2-+5°C. Холодильные машины строятся по принципу тепловых насосов, традиционными видами которых являются тепловые насосы на основе жидких хладагентов с высокой степенью летучести (различного рода фреоны). Использование их основано на фазовых переходах в хладагенте и требует дополнительного компрессорного и теплообменного оборудования.
В последнее время широкое распространение получили компактные тепловые насосы, работающие на основе использования термоэлектрического эффекта (нагрев и одновременное охлаждение противоположных концов спаев двух металлов или полупроводников при пропускании через них постоянного электрического тока - эффект Пельтье). Подобные тепловые насосы не имеют подвижных частей и сложных агрегатов, просты в обслуживании и имеют практически неограниченный срок эксплуатации. Термоэлектрические установки на основе элементов Пельтье применяются в различного рода холодильных агрегатах и даже в системах кондиционирования и регулирования влажности воздуха (см., например, патент РФ №2589642 (публикация 2016 г.)).
Ближайшим по технической сущности аналогом предлагаемой полезной модели является патент РФ №39282 на полезную модель «Термоэлектрический осушитель газов Груздева» (публикация 2004 года), который использован в качестве прототипа. Известный термоэлектрический осушитель включает сборку термоэлектрических элементов с охлаждаемой и нагреваемой контактными поверхностями. На охлаждаемой поверхности с тепловым контактом с ней установлена камера конденсации высокого давления с внутренней полостью и патрубками для подвода и отвода осушаемого газа. Образующийся за счет снижения температуры конденсат удаляется устройством отвода конденсата. На нагреваемой поверхности сборки с тепловым контактом с ней установлена теплообменная камера с внутренней полостью и внутренним радиатором на контактирующей со сборкой поверхностью полости и с патрубками для подачи и отвода охлаждающей среды. В осушителе также используется устройство для отвода осушенного газа и влагомер для измерения его влажности.
Работа термоэлектрического осушителя основана на эффекте Пельтье. При пропускании постоянного тока через термоэлектрические элементы, состоящие из спаев разнородных проводящих материалов или полупроводников, на одних спаях выделяется, а на противоположных - поглощается тепло, т.е. протекает нагрев и охлаждение спаев.
Охлаждаемые и нагреваемые спаи контактируют с теплопроводящими подложками, формирующими соответствующие теплообменные поверхности. В камеру конденсации поступает сжатый влажный газ, который охлаждается за счет отбора из него тепла контактной поверхностью. На входе газ имеет высокую относительную влажность (обычно после компрессора влажность сжатого газа составляет 100%) и повышенную температуру.
За счет охлаждения в камере конденсации в газе снижается давление насыщенного пара воды и излишки пара выпадают в виде водяного конденсата, который отводится соответствующим устройством. Устройство отвода конденсата и патрубок для отвода сжатого газа не связаны между собой. Таким образом, с помощью образования и принудительного удаления конденсата воды проводится осушка сжатого газа.
Теплообменная камера служит для отвода тепла, выделяющегося на нагреваемой контактной поверхности термоэлектрических элементов. К теплу, выделяемому за счет термоэлектрического эффекта, добавляется тепло, выделяющееся за счет протекания электрического тока в проводниках, и для достижения необходимого температурного режима в теплообменной камере требуется максимально эффективный отвод всего выделяемого тепла. Для этого в теплообменную камеру через соответствующие патрубки подается и отводится охлаждающая среда (газовый или жидкостной теплоноситель), а для улучшения теплообмена на контактирующей со сборкой поверхностью установлен радиатор. Чем ниже температура подаваемого теплоносителя, тем более эффективно проводится теплоотвод из камеры конденсации.
Термоэлектрический осушитель газов Груздева имеет режим восстановления процесса осушки в нештатной ситуации. Для этого используется влагомер для измерения влажности осушенного газа, установленный в устройстве для его отвода. При превышении допустимой величины влажности в осушенном газе на 10-15 минут происходит смена полярности источника питания, за счет чего происходит нагрев камеры конденсации и оттаивание намороженного водного конденсата. Другие системы для стабилизации и регулирования работы осушителя отсутствуют.
Главные недостатки термоэлектрического осушителя газов Груздева следующие:
Технологические недостатки.
- Из камеры конденсации выходит сжатый газ с пониженным влагосодержанием, но его относительная влажность будет составлять 100%, пока температура газа не поднимется выше той, что он приобрел в камере конденсации. Т.е. вышедший из камеры конденсации газ нельзя считать осушенным (имеет 100% относительную влажность) и его нельзя непосредственно сразу использовать в технологических целях (возможность выпадения конденсата в эксплуатируемых устройствах). Для снижения относительной влажности в устройстве для отвода осушенного газа необходимо использовать нагревательные элементы и увеличить энергетические затраты.
- из камеры конденсации осушенный газ и водяной конденсат отводятся по двум независимым каналам (устройство отвода конденсата и патрубок для отвода сжатого газа). При этом внутри камеры конденсации отсутствуют устройства и приспособления для отделения конденсата от осушаемого газа. Единственным механизмом, побуждающим удаление конденсата, является его гравитационное осаждение на дно камеры, которое может протекать в основном только на поверхности полости камеры. Оставшаяся сконденсированная капельная влага будет уноситься через патрубок отвода потока сжатого газа и далее в устройство отвода осушенного газа, что может значительно снизить финишную эффективность осушки и затруднить его технологическое использование.
- Подача в теплообменную камеру охлаждающей среды требует использования дополнительного специального нагнетательного и охлаждающего оборудования.
Дополнительные энергозатраты и нештатные ситуации.
- Для использования газа, выходящего из камеры конденсации, необходимо дополнительное нагревательное устройство и соответствующие энергетические затраты.
- Подготовка охлаждающей среды для теплообменной камеры может потребовать ее охлаждения, что связано с дополнительными энергетическими затратами. Прокачка охлаждающей среды также связана с дополнительными энергозатратами.
- Отсутствует система контроля и механизмы управления режимом работы сборки термоэлектрических элементов, что также может привести к дополнительным энергетическими затратам или нештатному нарушению режима осушки. Используемая система контроля (влагомер в устройстве отвода осушенного газа) служит только в качестве датчика-сигнализатора намораживания льда или снега в камере конденсации и включения механизма размораживания (смена полярности питания сборки термоэлектрических элементов). Эта система не предназначена для управления процессом осушки и повышения энергетической эффективности осушителя.
Задачей разработки предлагаемой полезной модели является устранение технологических недостатков и снижение энергозатрат при использовании термоэлектрических осушителей сжатых газов.
Технические результаты, достигаемые при использовании предлагаемой полезной модели, состоят в следующем:
- повышение эффективности осушки и снижение энергозатрат на нее;
- упрощение конструкции и снижение энергозатрат за счет исключения необходимости подготовки и подачи в устройство внешнего теплоносителя (охлаждающей среды);
- снижение энергозатрат и упрощение конструкции за счет исключения необходимости подогрева осушенного газа в устройстве для его отвода;
Для решения поставленной задачи и достижения технических результатов предлагается следующая конструкция термоэлектрического осушителя сжатых газов.
Термоэлектрический осушитель сжатого газа включает сборку термоэлектрических элементов с охлаждаемой и нагреваемой контактными поверхностями и с блоком электрического питания постоянным током, камеру конденсации высокого давления, теплообменную камеру высокого давления с внутренним радиатором, устройство отвода осушенного газа с влагомером и устройство отвода конденсата. Камера конденсации имеет внутреннюю полость и патрубки для подвода и отвода сжатого газа, снабжена устройством отвода конденсата и установлена на охлаждаемой поверхности сборки с тепловым контактом с ней. Наружная поверхность камеры конденсации, не контактирующая с поверхностью сборки, снабжена теплоизоляцией. Теплообменная камера также имеет внутреннюю полость и патрубки для подачи и отвода охлаждающей среды и установлена на нагреваемой поверхности сборки. На контактирующей со сборкой поверхностью полости камеры расположен внутренний радиатор. Устройство для отвода конденсата выполнено в виде проточного влагоотделителя-влагоудалителя высокого давления, вход которого соединен газовой коммуникацией с патрубком для отвода сжатого газа камеры конденсации, а выход соединен с патрубком для подачи охлаждающей среды в теплообменную камеру. Патрубок для отвода охлаждающей среды теплообменной камеры соединен газовой коммуникацией с устройством для отвода осушенного газа. Наружная поверхность теплообменной камеры снабжена дополнительным радиатором и устройством для его обдува внешним воздухом.
Принципиальные отличия заявляемой полезной модели от устройства-прототипа состоят в следующем:
- Устройство для отвода конденсата выполнено в виде проточного влагоотделителя-влагоудалителя высокого давления, вход которого соединен газовой коммуникацией с патрубком для отвода сжатого газа камеры конденсации. При этом в камере конденсации не происходит отделение выпавшего конденсата от газа. Вся влага уносится из камеры конденсации потоком газа, а отделение влаги протекает в специальном, работающем более эффективно, устройстве - проточном влагоотделителе-влагоудалителе. Влагоотделение может быть эффективно проведено, например, механическим способом с помощью каплеотбойников. Оседающая за счет гравитации влага удаляется из нижней части с помощью ручного или автоматического поплавкового клапана. Из устройства для отвода конденсата выводится очищенный от влаги газ. Использование данного признака служит для достижения технического результата, связанного с повышением эффективности осушки.
- Выход устройства для отвода конденсата соединен газовой коммуникацией с патрубком для подачи охлаждающей среды в теплообменную камеру. При этом достигается технический результат, состоящий в том, что в теплообменной камере не требуется подача внешней охлаждающей среды и, соответственно, ее подготовка и использование соответствующего оборудования, что снижает эксплуатационные, энергетические и материальные затраты. Выходящий из устройства для отвода конденсата газ является охлажденным в камере конденсации и выполняет роль теплоносителя для охлаждения нагреваемой поверхности сборки. Вторым техническим результатом, достигаемым при использовании этого признака, является снижение относительной влажности поступающего в теплообменную камеру газа, который, по сути, является готовым продуктам осушителя. Снижение относительной влажности происходит за счет нагрева газа. В целом использование данного признака приводит к упрощению конструкции без потери ее эффективности и к снижению энергозатрат (не требуются устройства и внешние источники энергии для финишной подготовки осушенного газа).
- Патрубок для отвода охлаждающей среды теплообменной камеры соединен газовой коммуникацией с устройством для отвода осушенного газа. Использование данного признака является необходимым, поскольку, выходящий из теплообменной камеры газ является готовым продуктом.
- Наружная поверхность теплообменной камеры снабжена дополнительным радиатором и устройством для его обдува внешним воздухом. Техническим результатом, достигаемым при использовании данного признака, является повышение эффективности осушки и снижение энергозатрат на нее. Дополнительный радиатор и его обдув внешним воздухом является необходимым по той причине, что термоэлектрическая сборка выделяет не только тепло за счет эффекта Пельтье, но и дополнительное тепло за счет нагрева при протекании электрического тока. В прототипе эта задача решалась подачей достаточного количества охлаждающей среды, использования для этого дополнительного нагнетательного оборудования и систем охлаждения, для работы которых требуются дополнительные энергозатраты.
Дополнительный радиатор с устройством обдува также может быть использован в качестве элемента, служащего для управления процессом осушки за счет регулирования потока тепла, проходящего через сборку термоэлектрических элементов, а также регулирования температуры выходящего из устройства отвода осушенного газа.
Дополнительный радиатор может быть выполнен в виде элемента с развитой, например, ребристой плоской, спиральной или другой формы поверхностью и установлен с высоким тепловым контактом, например, с использованием термопасты, на теплообменную камеру, или он может быть выполнен в виде нарезки на поверхности камеры конденсации.
- Наружная поверхность камеры конденсации, не контактирующая с поверхностью сборки, снабжена теплоизоляцией. Техническим результатом, достигаемым при использовании данного признака, является повышение эффективности осушки и снижение энергозатрат на нее. Дополнительная теплоизоляция позволяет минимизировать внешние потоки тепла, проникающие в камеру конденсации и поддерживать более низкую температуру внутри нее, повышая, тем самым, степень осушки газа.
Дополнительными признаками заявляемой полезной модели являются следующие:
1. На поверхности внутренней полости камеры конденсации, контактирующей со сборкой, может быть смонтирован второй дополнительный радиатор.
Использование данного признака служит для усиления технического результата, связанного с повышением эффективности теплообмена внутри камеры, а, следовательно, к повышению степени осушки и снижением энергозатрат на нее. Второй дополнительный радиатор за счет развитой поверхности с большой площадью позволяет повысить теплообмен, увеличить поток тепла, отбираемый сборкой из камеры конденсации, снизить температуру газа и понизить энергозатраты на работу сборки термоэлектрических элементов. Под монтажем дополнительного радиатора подразумевается его крепление с высоким тепловым контактом, например, с помощью термопасты, с внутренней поверхностью камеры конденсации или просто нарезка ребристой поверхности в камере конденсации.
2. Во внутренних полостях камеры конденсации и/или теплообменной камеры могут быть установлены завихрители газового потока.
Использование данного признака служит для усиления технического результата, связанного с повышением эффективности теплообмена внутри камер, а, следовательно, к повышению степени осушки и снижением энергозатрат на нее. Завихрители газового потока обеспечивают максимальную однородность распределения температуры в объеме камеры и равномерность выпадения конденсата. Завихрители могут иметь различное конструктивное исполнение, например, стационарно установленные элементы, свободно вращающиеся лопасти или побудители движения газа с внешним приводом.
3. На газовой коммуникации между проточным влагоотделителем-влагоудалителем и теплообменной камерой может быть установлен коалесцентный фильтр высокого давления с удалителем влаги.
Использование данного признака служит для усиления технического результата, связанного с повышением эффективности осушки. Выходящий из проточного влагоотделителя-влагоудалителя газ может содержать мелкодисперсную остаточную капельную влагу, например, в случаях, когда поток газа велик и на каплеуловителях не происходит достаточно эффективное осаждение влаги. При попадании в теплообменную камеру капли испаряются, повышают относительную влажность газа, что приводит к снижению степени осушки. Коалесцентные фильтры при пропускании газа через слои мелкопористой среды с постепенно увеличивающимся размером пор позволяют практически полностью удалить эту влагу за счет слипания капель (эффект коалесценции). Кроме того, подобные фильтры частично удаляют пары воды, которые конденсируются за счет снижения температуры при переходе от более мелких пор к более крупным (эффект Джоуля-Томсона). Коалесцентный фильтр, как и устройство отвода конденсата, должен иметь удалитель влаги, например, поплавкового типа (автоматическое удаление конденсата).
4. В камере конденсации, в теплообменной камере, а также за пределами термоэлектрического осушителя могут быть установлены датчики температуры.
Использование этого признака служит для усиления технического результата, связанного с повышением эффективности осушки и снижением энергозатрат на нее. Датчики температуры используются для получения данных, которые могут быть использованы для контроля и управления процессом осушки.
5. Термоэлектрический осушитель может быть снабжен системой автоматического управления блоком электрического питания сборки и устройством для обдува дополнительного радиатора, принимающей сигналы от датчиков температуры и влагомера.
Использование этого признака служит для усиления технического результата, связанного с повышением эффективности осушки и снижением энергозатрат на нее. Признак позволяет поддерживать требуемые параметры осушенного газа. Система автоматического управления может быть основана на использовании микропроцессорной техники или техники, применяемой в промышленной автоматике.
Предложенная конструктивная компоновка термоэлектрического осушителя газов обеспечивает компактность и удобство эксплуатации устройства в целом.
Повышенная эффективности осушки и снижение энергозатрат на нее, а также упрощение эксплуатации обеспечивается принципом, при котором осушаемый газ используется для охлаждения сборки термоэлектрических элементов, более эффективным отведением конденсата и установкой конструктивных элементов, улучшающих теплообмен.
Предлагаемая конструкция термоэлектрического осушителя газов схематично представлена на рисунке. Рисунок содержит корпус термоэлектрического осушителя в разрезе и условные обозначения отдельных его узлов.
Термоэлектрический осушитель состоит из сборки термоэлектрических элементов 1 с охлаждаемой 2 и нагреваемой 3 контактными поверхностями и с блоком электрического питания постоянным током 4. Сборка в общем случае состоит из большого количества параллельно расположенных термоэлектрических элементов и может формироваться по последовательному каскадному принципу (нагреваемя поверхность группы параллельных элементов контактирует с охлаждаемой поверхностью следующей группы и т.д.). На охлаждаемой поверхности сборки с тепловым контактом установлена камера конденсации высокого давления 5 с внутренней полостью 6 и с патрубками для подвода 7 и отвода 8 сжатого газа. Стенка камеры 5, контактирующая со сборкой, должна иметь высокую теплопроводность, например, выполненной из металла. На нагреваемой поверхности сборки с тепловым контактом установлена теплообменная камера высокого давления 9 с внутренней полостью 10 и внутренним радиатором 11 на контактирующей со сборкой поверхностью. Теплообменная камера снабжена патрубками для подачи 12 и отвода 13 охлаждающей среды. Для отвода конденсата из камеры конденсации используется устройство отвода конденсата 14, включающее проточный влагоотделитель-влагоудалитель высокого давления 15, соединенный газовой коммуникацией 16 с патрубком отвода сжатого газа 8 и газовой коммуникацией 17 с патрубком для подачи охлаждающей среды 12. Патрубок отвода охлаждающей среды 13 соединен с устройством отвода осушенного газа 18, в котором установлен влагомер 19. Наружная поверхность камеры конденсации, не контактирующая с поверхностью сборки, снабжена теплоизоляцией 20. Наружная поверхность теплообменной камеры 9 снабжена дополнительным радиатором 21 и устройством для его обдува внешним воздухом 22.
На поверхности внутренней полости 6 камеры конденсации, контактирующей со сборкой, может быть смонтирован второй дополнительный радиатор 23.
Во внутренних полостях камеры конденсации и/или теплообменной камеры могут быть установлены завихрители газового потока 24. Завихрители могут быть пассивными и выполнены, например, в виде неподвижных элементов или в виде свободно вращающихся лопастей, или активными с механическим приводом.
На газовой коммуникации 17 между проточным влагоотделителем-влагоудалителем 15 и теплообменной камерой 9 может быть установлен коалесцентный фильтр высокого давления 25 с удалителем влаги 26.
В камере конденсации 5, в теплообменной камере 9, а также за пределами термоэлектрического осушителя могут быть установлены датчики температуры 27.
Термоэлектрический осушитель сжатого газа может быть снабжен системой автоматического управления блоком электрического питания сборки БУ1 и блоком управления БУ2 устройства для обдува дополнительного радиатора, принимающей сигналы от датчиков температуры и влагомера.
Термоэлектрический осушитель сжатого газа работает следующим образом.
Сжатый газ через патрубок 7 поступает во внутреннюю полость 6 камеры конденсации 5. Сжатый газ имеет повышенную относительно исходной влажность, возникшую за счет его компремирования. Если газ подается непосредственно из компрессора, то он имеет и повышенную температуру. При включенном блоке электрического питания 4 газ охлаждается, в его объеме и на поверхности камеры выпадает конденсат. Охлаждение газа вызывается переносом тепла, выделяемого при конденсации пара, через стенку камеры в сборку термоэлектрических элементов 5 через контактную поверхность 2. Для увеличения поверхности теплообмена может быть использован радиатор 23, а для увеличения равномерности образования конденсата по всему объему камеры может также быть использован и завихритель газового потока 24. Для уменьшения тепловых потерь (потерь холода) наружная поверхность камеры конденсации снабжена теплоизоляцией 20. Сконденсированная влага за счет гравитации и воздействия потока газа стекает по стенкам на дно камеры 5 и вместе с охлажденным газом, содержащим также мелкодисперсную капельную воду, поступает в патрубок 8, а из него по коммуникации 16 в устройство отвода конденсата 14. Для облегчения транспортировки в устройство 14 конденсата, образующегося на стенках камеры конденсации, ребра радиатора 23 предпочтительно должны иметь вертикальную ориентацию (на рисунке для наглядности их ориентация имеет противоположное направление). В устройстве отвода конденсата газо-жидкостная смесь направляется в проточный влагоотделитель-влагоудалитель высокого давления 15, в котором жидкость отделяется от газа. Для этого могут быть использованы различного рода каплеотбойники. Вода стекает в нижнюю часть устройства 15 и удаляется из него, с помощью клапана, например, ручного или автоматического клапана поплавкового типа. Газ, очищенный от воды, по коммуникации 17 поступает в патрубок 12 теплообменной камеры 9. Поскольку газ после влагоотделителя-влагоудалителя 15 еще может содержать заметно большое количество мелкодисперсных капель воды, то для финишной сепарации он может быть подан в коалесцентный фильтр 25, установленный на коммуникации 17. В этом фильтре за счет слипания капель в пористой среде происходит практически 100% удаление капельной влаги. Кроме того, за счет частичного охлаждения при переходе от более мелких, к более крупным порам (эффект Джоуля Томсона) может иметь место дополнительная конденсация и снижение влажности газа. На коалесцентном фильтре должно быть установлено устройство удаления влаги 26, например, автоматическое поплавкового типа.
Для эффективной работы осушителя сжатого газа требуется тепловая защита всех узлов, входящих в устройство отвода конденсата 14, включая газовые коммуникации 16 и 17. В противном случае за счет возможного нагрева часть сконденсированной воды может испариться и повысить влагосодержание газа.
Далее поток сжатого, охлажденного газа используется в качестве охлаждающей среды в теплообменной камере 9 с внутренним радиатором 11, которая установлена на нагреваемой поверхности 3 сборки термоэлектрических элементов 1. На поверхности 3 выделяется тепло за счет термоэлектрического эффекта Пельтье, а также дополнительное тепло, выделяемое за счет протекания тока по проводникам сборки. Для работы термоэлектрических элементов это тепло должно быть удалено. Сжатый холодный газ через патрубок 12 поступает во внутреннюю полость 10 камеры теплообмена и нагревается, обдувая теплый радиатор 11. Для увеличения эффективности теплообмена в полости 10 может быть установлен завихритель газового потока 24. Поскольку тепло, отданное газом в камере конденсации 5 меньше тепла, которое он должен поглотить в камере теплообмена (тепло за счет термоэлектрического эффекта, плюс тепло, выделяемое за счет протекания тока), то для его удаления на внешней поверхности камеры теплообмена установлен дополнительный радиатор 21, обдуваемый воздухом. Скоростью обдува радиатора можно управлять и, соответственно, управлять тепловым потоком, переносимым сборкой термоэлектрических элементов, а также процессом осушки сжатого газа.
Использование осушаемого газа в качестве хладагента для теплообменной камеры выгодно еще тем, что в ней фактически проводится финишная подготовка газа к использованию. На выходе из устройства отвода конденсата 14 газ имеет относительную влажность, равную 100% и при его использовании, в зависимости от условий, может иметь место выпадение конденсата. Пройдя теплообменную камеру, влагосодержание газа не изменяется, но за счет нагрева в устройство для отвода осушенного газа 18 через патрубок 13 поступает газ с пониженной относительной влажностью. Тип и конструкция устройства для отвода газа 18 выбирается в соответствии с технологическими потребностями при использовании сжатого газа. Например, оно может быть выполнено в виде ресивера с дросселирующим и запорным кранами для регулирования расхода и давления (на рисунке не показаны). В устройстве 18 установлен влагомер 19, измеряющий итоговый результат работы осушителя.
Управление процессом осушки газа осуществляется изменяемой непрерывно или ступенчато величиной напряжения, подаваемого от источника постоянного тока 4. Дополнительным элементом управления является величина воздушного потока, подаваемого на радиатор 21 от устройства для его обдува внешним воздухом 22. Управление может осуществляться по величине температуры в камере конденсации 5, теплообменной камеры 9, показаниям влагомера 19, а также температуры внешнего воздуха. Для этого дополнительно должны быть установлены датчики температуры 27 (см. рисунок). Показания этих датчиков поступают в автоматическую систему управления АСУ (на рисунке не показана) с исполнительными блоками управления БУ1 и БУ2. Работа автоматической системы управления может быть основана либо на микропроцессорных технологиях, при которых на основе сигналов от датчиков численным расчетом определяются и задаются сигналы, управляющие блоками БУ1 и БУ2, либо на технологиях, используемых в промышленной автоматике, при которых с помощью изменения сигналов, подаваемых в блоки БУ1 и БУ2, достигают требуемых величин температуры в камере конденсации и теплообменной камере и требуемой влажности в устройстве для отвода осушенного газа.
При эксплуатации термоэлектрического осушителя возможна нештатная ситуация, связанная с наморозкой льда на стенках камеры конденсации 5. Такая ситуация может быть идентифицирована по показаниям датчиков 19 и 27. В этом случае блок управления БУ1 может на сравнительно небольшое время поменять полярность напряжения, подаваемого на сборку термоэлектрических элементов, что приведет к отогреву камеры конденсации. Сжатый газ может непрерывно подаваться в камеру 5 с целью быстрого отвода из нее воды.
Таким образом, конструкция термоэлектрического осушителя сжатых газов отличается простотой, компактностью, удобством в эксплуатации и экономичностью.