КОМБИНИРОВАННОЕ ВИХРЕВОЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
COMBINED VORTEX THERMOELECTRIC DEVICE

Изобретение относится к устройствам, работа которых основана на вихревом эффекте Ранка-Хилше, электротермическом эффекте Пельтье, термоэлектрическом эффекте Зеебека, и может быть использовано в нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности для нагрева/охлаждения газа или жидкости, а также получения электроэнергии на неэлектрифицированных скважинах, газораспределительных станциях и других объектах с целью питания слаботочной аппаратуры.
Известно множество устройств, работа которых основана на вихревом эффекте Ранка-Хилше, например вихревая труба (патент РФ №2098723), содержащая камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом, диафрагму с центральным отверстием и дроссель, на крестовине которого установлены радиально расположенные лопасти, а диафрагма выполнена за одно с расширяющимся к выходу раструбом, вход которого соединен с центральным отверстием.
Недостатком этого и других аналогичных устройств является то, что они имеют ограниченное использование в основном для охлаждения объектов и эффективно работают только на сжатом газе.
Известна термогенерирующая установка, применяемая для нагрева жидкости, работа которой основана на вихревом эффекте Ранка-Хилше (патент РФ №2190162), содержащая теплообменную обойму с выходным патрубком, внутри которой установлена цилиндрическая вихревая труба с тангенциальным сопловым вводом и выходом на одном конце первого цилиндрического корпуса, тормозным устройством и выходом на противоположном конце второго цилиндрического корпуса, причем центральная часть цилиндрической вихревой трубы выполнена в виде полой спирали с входным и выходным патрубками, витки которой жестко соединены друг с другом.
Недостатком этого устройства является то, что эффективность нагрева жидкости в нем определяется лишь расходом и давлением поступающего на вход в вихревую трубу теплоносителя, которые в реальных условиях могут изменяться в значительных пределах, что отрицательно сказывается на надежной работе устройства.
Известно устройство для нагрева и охлаждения жидкости, работа которого основана на электротермическом эффекте Пельтье (патент РФ №2154875), включающее, по крайней мере, одну термобатарею, содержащую полупроводниковые ветви р- и п-проводимости, теплообменники горячего и холодного контуров протока жидкости, выполненные в виде чередующихся каналов горячего и холодного контуров протока жидкости.
Недостатками этого устройства являются то, что надежность его работы обеспечивается лишь мощностью термоэлектрических батарей, которой бывает недостаточно при ограниченных размерах устройства для эффективного нагрева/охлаждения жидкости, а также сложность конструкции теплообменников и значительные габариты самого устройства.
Известно устройство для производства тепловой и электрической энергии, работа которого основана на термоэлектрическом эффекте Зеебека (патент РФ №2224190), содержащее горелку на органическом топливе, теплоприемники, термоэлектрические батареи, теплообменники и силовую раму.
Основным недостатком данного устройства является то, что его работа обеспечивается сжиганием топлива, что связано с пожарной опасностью, особенно при использовании на пожароопасных объектах, а также загрязнением окружающей среды продуктами сгорания топлива.
Известен вихревой термоэлектрический источник для оборудования газораспределительных станций (ТЭГ-ВТ), работа которого основана на вихревом эффекте Ранка-Хилше и термоэлектрическом эффекте Зеебека (вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, №2, 2007 г., стр.44, рис.2), который по большинству сходных признаков принят за прототип, содержащий корпус (кожух), внутри которого размещена вихревая труба с тангенциальным вводом, коллекторы холодного и горячего потока, холодный и горячий теплообменники, между которыми установлены термоэлектрические модули.
Недостатком данного устройства является то, что оно не приспособлено для работы на жидкости и эффективно работает лишь на сжатом газе, что ограничивает сферу его применения, а большие габариты и разветвленность коллекторов и теплообменников способствуют рассеиванию температуры горячего и холодного потоков во внешнюю среду, что снижает надежность работы устройства.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в том, чтобы повысить надежность работы устройства и расширить его функциональные возможности за счет использования в его работе всех трех указанных выше эффектов, более эффективного использования пространства, прилегающего к вихревой трубе, оптимального взаиморасположения теплообменников и термоэлектрических модулей, уменьшения рассеивания температуры горячего и холодного потоков во внешнюю среду.
Для достижения названного технического результата предлагаемое устройство содержит: корпус, внутри которого размещена вихревая труба с тангенциальным вводом, коллекторы холодного и горячего потока, холодный и горячий теплообменники, между которыми установлены термоэлектрические модули.
Новое, что отличает предлагаемое устройство от прототипа, заключается в том, что теплообменники выполнены в виде трубопроводов трапецеидального сечения с концевыми патрубками круглого сечения и размещены вдоль вихревой трубы с внешней ее стороны поочередно горячий - холодный - горячий и т.д. по окружности с радиальными зазорами относительно друг друга, равными высоте термоэлектрических модулей таким образом, что термоэлектрические модули одной своей плоской термочувствительной поверхностью плотно прилегают к боковой стороне трубопровода трапецеидального сечения горячих теплообменников, а другой своей плоской термочувствительной поверхностью - к боковой стороне трубопровода трапецеидального сечения холодных теплообменников.
На чертежах изображено устройство, работающее в режиме нагрева/охлаждения потока, где:
на фиг.1 - продольный разрез устройства по А-А фиг.2 и 3;
на фиг.2 -поперечный разрез устройства по Б-Б фиг.1;
на фиг.3 - поперечный разрез устройства по В-В фиг.1;
на фиг.4 - вариант исполнения устройства с циркуляцией холодного потока по замкнутому циклу;
на фиг.5 - вариант исполнения горячего теплообменника с поперечными перегородками;
на фиг.6 - электрическая схема соединений термоэлектрических модулей.
Устройство включает корпус, выполненный из неметаллического электроизоляционного материала с низкой теплопроводностью (полиэтилен, фторопласт 4 и др.), состоящий из полого цилиндра 1, трех верхних 2, 3, 4 и четырех нижних 5, 6, 7, 8 торцевых днищ. Внутри полого цилиндра 1, между торцевыми днищами 4 и 7, установлена вихревая труба 9 с тангенциальным вводом, который представляет собой шесть прямоугольных (щелевых) отверстий, выполненных по касательной к внутреннему диаметру вихревой трубы 9. Для закрутки потока, поступающего в вихревую трубу 9, к ней приварены шесть радиальных, изогнутых в сторону закрутки трубопроводов 10 прямоугольного сечения, которые, в свою очередь, жестко соединены с входным коллектором 11, размещенным между торцевыми днищами 7 и 8 и выполненным в виде тора прямоугольного сечения. Снаружи к коллектору 11 приварен входной патрубок с фланцем 12. В днище 7 ввернута ускорительная втулка 13, а в днище 3 - тормозное устройство 14, выполненные из неметаллического материала с низкой теплопроводностью. На ускорительной втулке 13 имеется осевое отверстие, расширяющееся с одного края, два радиальных отверстия и завихритель, выполненный в виде шнека, направление закрутки которого совпадает с направлением закрутки потока. На тормозном устройстве 14 имеется шесть радиальных ребер.
С внешней стороны по окружности вдоль вихревой трубы 9 размещены поочередно с зазором относительно друг друга шесть горячих и шесть холодных теплообменников, выполненных в виде трубопроводов трапецеидального сечения 15 с концевыми патрубками круглого сечения 16 и 17 для горячих теплообменников и 18 и 19 для холодных теплообменников. В зазорах между горячими и холодными теплообменниками установлены термоэлектрические модули 20 таким образом, что одной своей плоской термочувствительной поверхностью они плотно прилегают к боковым сторонам трапецеидальных трубопроводов 15 горячих теплообменников, а другой своей плоской термочувствительной поверхностью - к боковым сторонам трапецеидальных трубопроводов 15 холодных теплообменников. Горячие теплообменники закреплены на торцевых днищах 4 и 6 с помощью гаек 21, для чего на концевых патрубках 16 и 17 выполнена резьба и они пропущены через отверстия, выполненные в торцевых днищах 4, 6, 7 и 8, при этом одновременно прижимается к торцевому днищу 8 вихревая труба 9 путем воздействия торцевого днища 4 на упорную шайбу 22, установленную в проточке, выполненной в вихревой трубе 9, а холодные теплообменники с помощью гаек 21 закреплены на торцевых днищах 3 и 7, для чего на концевых патрубках 18 и 19 также выполнена резьба и они пропущены через отверстия, выполненные в торцевых днищах 3, 4, 7 и 8. Торцевое днище 2 скреплено с торцевым днищем 3, а торцевое днище 5 - с торцевым днищем 4 двенадцатью болтами 23, ввернутыми в сдвоенные гайки 24 дугообразной формы, размещенные внутри торцевых днищ 3 и 6. На торцевых днищах 2 и 5 с помощью гаек 25 закреплены выходные патрубки 26 для выхода горячего и 27 для выхода холодного потоков. В торцевом днище 8 и полом цилиндре 1 имеются вырезы (на чертеже не показаны), в которых установлена втулка 28 для вывода электрического кабеля 29. Для монтажа электрических проводов, соединяющих термоэлектрические модули 20 между собой, между полым цилиндром 1 и внешними торцевыми частями термоэлектрических модулей 20 имеется зазор. В качестве изолирующей прокладки между внутренними торцевыми частями термоэлектрических модулей 20 и вихревой трубой 9 установлена электротеплоизолирующая втулка 30, изготовленная из полиэтиленовой трубы. Входы и выходы холодных теплообменников связаны с вихревой трубой 9 через коллекторы холодного потока, в виде кольцевых полостей 31 и 32, образованных зазорами между торцевыми днищами 2 и 3 и торцевыми днищами 6 и 7, а входы и выходы горячих теплообменников связаны с вихревой трубой 9 через коллекторы горячего потока, в виде кольцевых полостей 33 и 34, образованных зазорами между торцевыми днищами 3 и 4 и торцевыми днищами 5 и 6. Для обеспечения герметичности соединений используются уплотнительные элементы 35, 36, 37 и 38. Для дополнительного нагрева горячего потока, проходящего внутри трапецеидальных трубопроводов 15 горячих теплообменников, в них могут устанавливаться поперечные перегородки 39 и 40. При использовании тормозного устройства 14 с осевым отверстием для обеспечения циркуляции холодного потока по замкнутому циклу (вихревая труба - холодный теплообменник - вихревая труба) на выходной фланцевый патрубок 27 холодного потока устанавливается заглушка 41 и крепится болтами 42.
Устройство в режиме нагрева/охлаждения потока работает следующим образом.
Сжатый газ, жидкость или газожидкостная смесь подается в устройство под давлением через входной патрубок 12 и коллектор 11, а к выводам электрического кабеля 29 подключается источник питания. Благодаря тангенциальному вводу и дополнительной закрутке в завихрителе, выполненным на ускорительной втулке 13 в виде шнека, внутри вихревой трубы 9 образуется мощный вихревой поток, при этом периферийные нагретые слои этого потока движутся по вихревой трубе 9 вверх в сторону тормозного устройства 14, после прохождения которого температура потока в результате резкого торможения возрастает еще больше, и далее движутся к коллектору горячего потока 33, а приосевые охлажденные слои потока движутся в обратном направлении к тангенциальному вводу и далее по осевому отверстию ускорительной втулки 13 к коллектору холодного потока 31. Из коллектора горячего потока 33 горячий поток, нагретый в вихревой трубе 9, поступает в горячие теплообменники, при этом, проходя по трубопроводам трапецеидального сечения 15 горячих теплообменников, дополнительно нагревается за счет электротермического эффекта Пельтье (тепла, вырабатываемого термоэлектрическими модулями 20) и соударения с поперечными перегородками 39 и 40, после чего по концевым патрубкам 17 горячих теплообменников через коллектор горячего потока 34 поступает в выходной патрубок 26. Охлажденный же в вихревой трубе 9 холодный поток из коллектора холодного потока 31 поступает в холодные теплообменники, при этом, проходя по трубопроводам трапецеидального сечения 15 холодных теплообменников, дополнительно охлаждается за счет электротермического эффекта Пельтье (холода, вырабатываемого термоэлектрическими модулями 20) и по концевым патрубкам 17 через коллектор холодного потока 32 поступает в выходной патрубок 27.
Устройство может применяться в качестве теплогенератора в отопительной системе, работа которого аналогична работе устройства в режиме нагрева/охлаждения и отличается лишь тем, что в вихревую трубу 9 циркуляционным насосом подается теплоноситель (например, вода) и в нем используется тормозное устройство 14 с осевым отверстием, а выходной фланцевый патрубок 27 холодного потока заглушен, в результате чего холодный поток циркулирует по замкнутому циклу (вихревая труба - холодный теплообменник - вихревая труба), а нагретый поток циркулирует по отопительной системе.
Работа устройства при его применении в качестве автономного источника питания отличается от работы устройства в режиме нагрева/охлаждения потока или от работы устройства, применяемого в качестве теплогенератора для отопительной системы, лишь тем, что на вход устройства подается газ или газовый конденсат под давлением непосредственно из газовой/газоконденсатной скважины или расходного трубопровода, а к выводам электрического кабеля 29 подключается не источник питания, а потребитель электроэнергии, которая вырабатывается термоэлектрическими модулями 20 за счет перепада температур горячих и холодных теплообменников и термоэлектрического эффекта Зеебека.
Выполнение теплообменников в виде трубопроводов трапецеидального сечения с концевыми патрубками круглого сечения и их размещение вдоль вихревой трубы с внешней ее стороны поочередно горячий - холодный - горячий и т.д. по окружности с радиальными зазорами относительно друг друга, равными высоте термоэлектрических модулей таким образом, что термоэлектрические модули одной своей плоской термочувствительной поверхностью плотно прилегают к боковой стороне трубопровода трапецеидального сечения горячих теплообменников, а другой своей плоской термочувствительной поверхностью - к боковой стороне трубопровода трапецеидального сечения холодных теплообменников, позволяет эффективнее использовать пространство, прилегающее к вихревой трубе, и по сравнению с прототипом при тех же габаритах разместить значительно большее количество термоэлектрических модулей, в результате чего в случае применения устройства в качестве автономного источника питания увеличивается выработка электроэнергии, а при работе устройства в режиме нагрев/охлаждение более эффективно происходит процесс температурного разделения газового потока, что повышает надежность работы устройства. Кроме того, такое исполнение устройства позволяет использовать его и в качестве теплогенератора для отопительной системы, в котором нагрев теплоносителя осуществляется не только в результате вихревого эффекта и резкого торможения закрученного потока, но и за счет электротермического эффекта, что расширяет функциональные возможности устройства. Выполнение корпуса из неметаллического материала с низкой теплопроводностью, в форме полого цилиндра с торцевыми днищами, а коллекторов холодного и горячего потоков в виде изолированных друг от друга кольцевых полостей, образованных зазорами между торцевыми днищами корпуса, снижает рассеивание температуры горячего и холодного потоков во внешнюю среду, что также способствует повышению надежности работы устройства, при этом одновременно снижается вес устройства и упрощается технология его изготовления.