ВСТРОЕННЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ БЕСПРОВОДНЫХ УСТРОЙСТВ
BUILT-IN THERMOELECTRIC GENERATOR FOR WIRELESS DEVICES

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение в целом относится к беспроводным устройствам, и более конкретно, к подаче питания беспроводным устройствам в сети беспроводных полевых устройств.
Беспроводные устройства становятся преобладающими в промышленных применениях. В качестве компонентов сетей беспроводных полевых устройств беспроводные устройства расширяют область действия систем управления или технологического контроля за пределы области действия проводных устройств, в места, в которых проводить проводку может быть сложно и дорого. Сеть беспроводных полевых устройств включает множество беспроводных устройств, или узлов, с центральным контроллером, или шлюзом. Узлы в беспроводной сети могут как отправлять, так и принимать информацию.
Сети беспроводных полевых устройств используются для управления и контроля за разнородными процессами и средами. Например, сети беспроводных полевых устройств могут использоваться на нефтяных месторождениях. Нефтяное месторождение состоит из множества отдельных местоположений, сосредоточенных на буровых площадках, которые разбросаны на больших площадях. Связь между этими изолированными локальными областями является крайне важной для общего управления месторождением. Сеть беспроводных полевых устройств на буровой площадке осуществляет контроль и управление всем от скоростей потока, давления в скважине и температуры текучей среды до состояния и положения клапана и потенциальных утечек. Получающиеся в результате данные передаются через сеть на контроллеры, которые анализируют данные и приводят в действие управляющие механизмы, чтобы управлять производством или предотвращать неисправности.

Сеть беспроводных полевых устройств представляет собой сеть связи, состоящую из множества беспроводных устройств (т.е., узлов), организованных в беспроводной топологии. Примерами беспроводных топологий служат ячеистые сети, такие как, например, WirelessHART, и звездообразные сети, такие как, например, Bluetooth. В сети беспроводных полевых устройств беспроводное устройство является одним из беспроводного приемопередатчика, беспроводного маршрутизатора данных и беспроводного полевого устройства. Беспроводной приемопередатчик содержит приемопередатчик и антенну, интегрированные в одном устройстве. Беспроводной маршрутизатор данных содержит беспроводной приемопередатчик и маршрутизатор данных, интегрированные в одном устройстве. Беспроводное полевое устройство содержит беспроводной маршрутизатор данных и полевое устройство, интегрированные в одном устройстве. Полевое устройство представляет собой устанавливаемое на месте устройство, которое выполняет функцию в системе управления или технологического контроля или станционной системе контроля, включая все устройства, используемые в измерении, управлении и контроле промышленных предприятий, процессов или технологического оборудования, включая устройства по защите окружающей среды, охране здоровья и безопасности труда на предприятиях. Полевое устройство, как правило, содержит по меньшей мере один преобразователь, такой как, например, датчик или исполнительное устройство, и может выполнять управляющую или предупреждающую функцию. Беспроводной приемопередатчик представляет собой устройство для передачи и получения передаваемых данных на РЧ основе. Маршрутизатор данных представляет собой устройство, которое определяет маршрут пакетов данных, полученных беспроводным приемопередатчиком, распаковывая полезную нагрузку связи для потребления присоединенным полевым устройством (если адрес этого устройства соответствует адресу окончательного назначения в пакете) или перенаправляя полезную нагрузку связи обратно на беспроводной приемопередатчик, чтобы передавать обратно в сеть на следующий пункт назначения в логическом пути. Например, в беспроводной ячеистой сети, поскольку каждое беспроводное устройство должно быть способно определять маршрут сообщений для себя и для других устройств в сети, каждое беспроводное устройство содержит маршрутизатор данных. Напротив, в простой звездообразной сети, где беспроводным устройствам нужно только отправлять и принимать сообщения, беспроводным устройствам не нужно содержать маршрутизатор данных.
Использование РЧ вещания более низкой мощности является существенным для беспроводных сетевых систем, спроектированных для приложений на основе преобразователей, таких как сеть беспроводных полевых устройств. Многие устройства в сети должны быть локально обеспеченными энергией, поскольку энергосистемы общего пользования, такие как 120 В сети переменного тока или запитанные шины данных, не располагаются поблизости или не разрешены в опасных зонах, где должны размещаться приборы и преобразователи, не приводя к большим затратам на установку. "Локально обеспеченные энергией" означает запитанные от локального источника питания, такого как портативный электрохимический источник (например, долговечные батареи или топливные элементы), или от аккумулирующего энергию источника питания малой мощности (например, вибрационного, солнечного или термоэлектрического). Общим признаком локальных источников питания является их ограниченная мощность, либо хранящаяся, в случае долговечных батарей, либо производимая, как в случае солнечной панели. Ожидается, что батареи будут работать более пяти лет и предпочтительно работать столько, сколько работает изделие.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Один вариант осуществления настоящего изобретения включает первый технологический компонент, первую тепловую трубу, образованную частично первой полостью в первом технологическом компоненте, и узел термоэлектрического генератора. Узел термоэлектрического генератора термически соединен на одной стороне с теплоотводом, а на другой стороне - с первой тепловой трубой. Первый технологический компонент находится в непосредственном контакте с первой технологической текучей средой, а первая полость находится рядом с первой технологической текучей средой. Термоэлектрический генератор производит электроэнергию.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения представляет способ для генерации электроэнергии для использования в сети беспроводных полевых устройств. Технологический компонент контактирует с технологической текучей средой. Тепло проводится между технологической текучей средой и поверхностью герметичной полости в технологическом компоненте. Тепло передается между поверхностью герметичной полости и узлом термоэлектрического генератора путем испарения и конденсации рабочей текучей среды. Тепло передается между узлом термоэлектрического генератора и теплоотводом по меньшей мере одним из конвекционного или кондукционного обмена. Электроэнергия генерируется из проведения тепла через узел термоэлектрического генератора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг. 1A-1B представляют собой изображения беспроводного полевого устройства, включающего настоящее изобретение, установленное на технологическом фланце.
Фиг. 2A-2F представляют собой изображения варианта осуществления настоящего изобретения, включенного в термокарман, для подачи питания беспроводному полевому устройству для измерения температуры.
Фиг. 3A-3C представляют собой изображения другого варианта осуществления настоящего изобретения, включенного в термокарман, для подачи питания беспроводному полевому устройству для измерения температуры.
Фиг. 4A-4C представляют собой изображения варианта осуществления настоящего изобретения, включенного в усредняющую трубку Пито, для подачи питания беспроводному полевому устройству для измерения потока.
Фиг. 5A-5F представляют собой изображения варианта осуществления настоящего изобретения, включенного во фланец измерительной диафрагмы, для подачи питания беспроводному полевому устройству для измерения потока.
Фиг. 6A-6E представляют собой изображения варианта осуществления настоящего изобретения, включенного в конденсационный горшок, для подачи питания беспроводному маршрутизатору данных.
Фиг. 7A-7E представляют собой изображения варианта осуществления настоящего изобретения, включенного в трубку Вентури, для подачи питания беспроводному полевому устройству для измерения потока.
Фиг. 8A-8F представляют собой изображения варианта осуществления настоящего изобретения, включенного в кожух насоса, для подачи питания беспроводному маршрутизатору данных.
Фиг. 9A-9C представляют собой изображения варианта осуществления настоящего изобретения, включенного в измерительную диафрагму, для подачи питания беспроводному полевому устройству для измерения потока.
Фиг. 10 представляет собой изображение варианта осуществления настоящего изобретения, включенного в каждый из двух технологических компонентов, для подачи питания беспроводному полевому устройству для измерения потока.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение будет описываться в рамках подачи питания беспроводным устройствам в ячеистой сети беспроводных полевых устройств. Специалисту в данной области техники будет понятно, что изобретение равно подходит для других сетевых топологий и не ограничивается исключительно описанными вариантами осуществления, и что изобретение включает все варианты осуществления, попадающие в объем прилагаемой формулы изобретения.
Настоящее изобретение подает питание беспроводным устройствам в сети беспроводных полевых устройств с помощью термоэлектрического производства энергии. Как указано выше, ожидается, что батареи будут работать более пяти лет и предпочтительно работать столько, сколько работает изделие. Однако в некоторых применениях, требующих частых связи, опознавания или приведения в действие, батареи, достаточные для обеспечения питания в течение приемлемого периода времени, являются чрезмерно большими. Это усугубляется в условиях сурового климата, когда низкие температуры ограничивают отдачу батарей или же высокие температуры ограничивают срок действия батарей. В местах, где доступное солнечное излучение крайне ограничено, например, возле Северного полярного круга, солнечные панели, чтобы обеспечивать необходимое питание, также должны быть чрезмерно большими и дорогими. Часто эти применения включают технологические текучие среды, имеющие температуру, значительно более высокую или низкую, чем температура окружающей среды, что наводит на мысль об использовании термоэлектрической генерации энергии. Однако термоэлектрическая генерация энергии неэффективна по своей сути. Значительное усовершенствование эффективности термоэлектрической генерации энергии является существенным для того, чтобы удовлетворять энергетическим требованиям для беспроводного устройства в сети беспроводных полевых устройств.
КПД преобразования термоэлектрического генератора, как правило, составляет менее 1% и является функцией материала и конструкции термоэлектрического генератора. Кроме того, количество тепла, доступного для преобразования термоэлектрическому генератору, значительно уменьшается рядом термических сопротивлений между источником тепла (или холода) и поверхностью термоэлектрического генератора. Термические сопротивления замедляют передачу тепла для данной площади поперечного сечения, перпендикулярной направлению потока тепла, уменьшая скорость теплопередачи на единицу площади, или тепловой поток.
Например, типичным применением термоэлектрического генератора является теплая текучая среда в сосуде (например, текущая по трубе или содержащаяся в баке), окруженном более холодным воздухом, когда одна сторона теплопроводного элемента прикреплена к внешней, неизолированной части сосуда (затягиваясь на нем), а другая сторона теплопроводного элемента находится в физическом контакте с одной поверхностью термоэлектрического генератора. Теплообменник, находящийся в контакте с окружающим воздухом, крепится к другой поверхности термоэлектрического генератора. Для теплового потока от горячей текучей среды в сосуде к термоэлектрическому генератору имеется три значительных термических сопротивления: стенка сосуда, физический контакт (или нехватка физического контакта) между теплопроводным элементом и поверхностью сосуда, и термическое сопротивление через теплопроводный элемент.
Стенки сосуда обычно изготавливаются из материалов с плохой теплопроводностью, такой как, например, железо (60 Вт/м·К), нержавеющая сталь (10-40 Вт/м·К) или сплав хастелой (10 Вт/м·К). Тепловой поток должен проникать через всю толщину стенки сосуда, чтобы достигать теплопроводного элемента. Когда тепловой поток достигает поверхности внешней стенки сосуда, он должен течь в теплопроводный элемент. Крепление такого устройства к изогнутой поверхности сосуда, такого как труба или бак, представляет сложности. Радиус кривизны теплопроводного элемента должен в точности соответствовать радиусу кривизны внешней поверхности сосуда. Размеры сосуда и структура поверхности значительно разнятся, делая требующуюся точную посадку исключительно сложной. Несколько точечных контактов между двумя сопряженными поверхностями должны поддерживать практически весь поток тепла по площади сопряженных поверхностей, тогда как большую часть стыка занимают небольшие воздушные зазоры (превосходные изоляторы). Поток тепла, которому удается пройти стенку сосуда и пересечь стык между внешней поверхностью сосуда и теплопроводным элементом, должен затем пройти через теплопроводный элемент, чтобы достичь поверхности термоэлектрического генератора. Теплопроводные элементы, как правило, изготавливаются из материала с высокой теплопроводностью, например, меди (400 Вт/м·К), но все же представляют еще одно термическое сопротивление потоку тепла, ограничивая тепловой поток, доступный термоэлектрическому генератору. Настоящее изобретение в целом уменьшает, или вовсе устраняет, все три ряда термических сопротивлений потоку тепла от технологической текучей среды к термоэлектрическому генератору, значительно улучшая тепловой поток, доступный для преобразования термоэлектрическим генератором.
Настоящее изобретение обеспечивает питание для беспроводного устройства в сети беспроводных полевых устройств термоэлектрическим генератором. Изобретение содержит технологический компонент, непосредственно контактирующий с технологической текучей средой. Технологические компоненты, которые непосредственно контактируют с технологической текучей средой, включают, например, термокарманы, усредняющие трубки Пито, трубные фланцы, фланцы измерительных диафрагм, конденсационные горшки, выносные мембраны датчиков давления, переключатели уровней, контактные радиолокационные уровнемеры, вихревые расходомеры, счетчики Кориолиса, магнитные расходомеры, турбинные счетчики, клапанные коллекторы, элементы спрямления потока, ограничители потока, регулирующие клапаны, запорные клапаны, кожухи фильтров, кожухи насосов и предохранительные клапаны. Технологический компонент в настоящем изобретении содержит тепловую трубу, образованную частично теплосборной полостью внутри технологического компонента. Теплосборная полость используется только для того, чтобы образовывать часть тепловой трубы. Тепловая труба соединяется с одной стороной термоэлектрического генератора, а теплоотвод соединяется с другой стороной термоэлектрического генератора, перемещая тепло через термоэлектрический генератор, чтобы генерировать электричество для беспроводного устройства. Тепловая труба замещает теплопроводный элемент, описанный выше, значительно уменьшая термическое сопротивление, связанное с передачей тепла на поверхность термоэлектрического генератора. Встраивание тепловой трубы в технологический компонент в непосредственном контакте с технологической текучей средой устраняет два других термических сопротивления путем прямого проникновения стенки сосуда. Технологический компонент не накладывается на сосуд, а проникает в или замещает часть стенки сосуда. Некоторое термическое сопротивление сохраняется из необходимости проводить тепло от технологической текучей среды в полость тепловой трубы через часть технологического компонента, отделяющую теплосборную полость от технологической текучей среды. Однако, поскольку тепло течет в тепловую трубу со всей площади поверхности теплосборной полости и перемещается теплом испарения со всей внутренней поверхности теплосборной полости, тепловой поток, перемещаемый тепловой трубой, является намного более сильным.
Фиг. 1A-1B представляют собой изображения варианта осуществления настоящего изобретения для подачи питания беспроводному устройству в сети беспроводных полевых устройств, содержащего термоэлектрический генератор, включенный в технологический компонент. Фиг. 1A-1B представляют собой изображения технологического компонента, включающего настоящее изобретение, установленное на технологическом фланце. Фиг. 1B представляет собой часть фиг. 1A, увеличенную, чтобы лучше показать подробности изобретения.
Фиг. 1А представляет изображение точки 10 технологического измерения или контроля, содержащей беспроводное полевое устройство 12, технологический компонент 14, технологический фланец 16, технологический трубопровод 20 и сеть 21 беспроводных полевых устройств. Как представлено на фиг. 1 В, беспроводное полевое устройство 12 содержит кожух 22 электроники, электронную схему (не показана), антенну 24 и преобразователь (не показан). Технологический компонент 14 представляет собой установленный на фланце компонент, содержащий узел термоэлектрического генератора (не показан), устройство 27 теплопередачи, изоляцию 28a, изоляцию 28b и тепловую трубу (не показана). На фиг. 1B также показано множество фланцевых болтов 18. Хотя технологический трубопровод 20 представлен как труба, он также может быть любым из ряда технологических сосудов, включая технологический бак, резервуар, теплообменник, бойлер, дистилляционную колонну, печь для обжига или реактор. Сеть 21 беспроводных полевых устройств представляет собой любую сеть беспроводных полевых устройств, способную осуществлять беспроводную связь с беспроводным полевым устройством 12 и с системой управления или контроля. Сеть 21 беспроводных полевых устройств представляет собой, например, ячеистую сеть беспроводных полевых устройств.
Технологический фланец 16 крепится (как правило, приваривается) к отверстию в технологическом трубопроводе 20, чтобы создавать гнездо в технологический трубопровод 20. Уплотнительная прокладка (не показана), которая обычно состоит из материала с низкой теплопроводностью, вставляется между сопряженными поверхностями технологического компонента 14 и технологического фланца 16 перед тем, как технологический компонент 14 крепится к гнезду, чтобы быть в непосредственном контакте с технологической текучей средой F, когда она течет через технологический трубопровод 20. Технологический компонент 14 соединяется с технологическим фланцем 16 множеством фланцевых болтов 18. Узел термоэлектрического генератора интегрирован с технологическим компонентом 14 и косвенно находится в термическом контакте с технологической текучей средой F. Тепловая труба (не показана) термически соединяет технологическую текучую среду F и термоэлектрический генератор. Узел термоэлектрического генератора также находится в термическом контакте с устройством 27 теплопередачи, которое находится в термическом контакте с теплоотводом, например, с окружающей текучей средой A. Окружающая текучая среда А окружает точку 10 технологического измерения или контроля и обычно является воздухом. Во время обычной работы технологическая текучая среда F и окружающая текучая среда A имеют различную температуру. Изоляция 28a и изоляция 28b помещаются, чтобы термически ограждать устройство 27 теплопередачи, находящееся в термическом контакте с текучей средой A, от частей технологического компонента 14 находящихся в термическом контакте с текучей средой F. Как представлено на фиг. 1, технологический компонент 14 физически и электрически соединен с беспроводным полевым устройством 12, обеспечивая область взаимодействия между технологической текучей средой F и преобразователем. В другом случае кожух 22 электроники, антенна 24 и электронная схема беспроводного полевого устройства 12 физически отделены от технологического компонента 14, но электрически соединены с ним.
В работе поток тепла, движимый разностью температур между технологической текучей средой F и окружающей текучей средой A, перемещается тепловой трубой в технологическом компоненте 14. В случае, когда температура технологической текучей среды F выше, чем температура окружающей текучей среды А, поток тепла идет от технологической текучей среды F, расположенной в технологическом трубопроводе 20, к узлу термоэлектрического генератора посредством тепловой трубы. Поток тепла проводится через узел термоэлектрического генератора путем рассеивания тепла в окружающую текучую среду А устройством 27 теплопередачи, генерируя электроэнергию. Тепловой поток идет в обратном направлении для случая, когда температура технологической текучей среды F ниже, чем температура окружающей текучей среды A. Электричество проводится к беспроводному устройству 12, обеспечивая питание для беспроводного полевого устройства 12 для использования при работе преобразователя и для использования при связи с сетью 21 беспроводных полевых устройств через антенну 24. Параллельные пути для потока тепла между технологической текучей средой F и окружающей текучей средой A, которые бы стремились обойти намеченный путь через узел термоэлектрического генератора, уменьшаются изоляцией 28a и изоляцией 28b.
Все варианты осуществления, описанные ниже, кроме варианта осуществления, представленного на фиг. 10, представлены для случая, когда температура технологической текучей среды F выше, чем температура теплоотвода, а направление потока тепла идет от технологической текучей среды F к теплоотводу. Понятно, что для всех далее описываемых вариантов осуществления, для случая, когда температура технологической текучей среды F ниже температуры теплоотвода, описание является тем же, только направление потока тепла обращается, и тепло течет от теплоотвода к технологической текучей среде F.
Во всех вариантах осуществления теплоотвод поглощает или уносит тепло, чтобы поддерживать устойчивый поток тепла через термоэлектрический элемент. Для легкости представления во всех вариантах осуществления, описанных ниже, кроме варианта осуществления, представленного на фиг. 10, теплоотводом является окружающая текучая среда А. Окружающая текучая среда А часто является воздухом, но понятно, что окружающая текучая среда А может представлять собой другой тип текучей среды, такой как охлаждающая текучая среда, водоем или вторая технологическая текучая среда в физическом контакте с устройством теплопередачи. Кроме того, теплоотвод может быть землей или другой большой теплоемкостью, например, стеной здания или земляным валом.
Беспроводные полевые устройства, наподобие представленного на фиг. 1, могут измерять любые из ряда технологических характеристик, таких как, например, давление, скорость потока, массовый расход, pH, температура, плотность и проводимость; или могут контролировать технологическое оборудование на такие свойства как вибрация, нагрузка или коррозия; или могут контролировать общую производственную среду на такие свойства как обнаружение огня и газа; или могут определять настоящее положение рабочих и оборудования. Фиг. 2A-2F представляют собой изображения варианта осуществления настоящего изобретения для подачи питания беспроводному устройству в ячеистой сети беспроводных полевых устройств, содержащего термоэлектрический генератор, включенный в технологический компонент для подачи питания беспроводному полевому устройству для измерения температуры, где технологический компонент является термокарманом. Термокарман представляет собой прочную защитную оболочку, предназначенную содержать и защищать температурный датчик от вредных воздействий измеряемой текучей среды, включая вибрацию, удары, коррозию и истирание. Температурный датчик вставляется в термокарман вдоль его оси, а термокарман вставляется в технологический сосуд, содержащий измеряемую текучую среду. Термокарманы также обеспечивают дополнительное преимущество возможности замены вышедшего их строя температурного датчика без необходимости останавливать процесс и открывать сосуд.

Фиг. 2A представляет собой изображение в поперечном сечении термокармана, включающего настоящее изобретение. На фиг. 2A показана точка 110 технологического измерения, содержащая беспроводное полевое устройство 112, термокарман 114, технологический фланец 116, фланцевые болты 118 и технологический трубопровод 120, содержащий технологическую текучую среду F. Теплоотвод обеспечивается окружающей текучей средой А. Окружающая текучая среда А окружает точку 110 технологического измерения и обычно является воздухом. Хотя технологический трубопровод 120 представлен на фиг. 1 как труба, он также может быть любым из ряда технологических сосудов, включая технологический бак, резервуар, теплообменник, бойлер, дистилляционную колонну, печь для обжига или реактор. Беспроводное полевое устройство 112 содержит кожух 122 электроники, электронную схему 123, антенну 124 и температурный зонд 130. Температурный зонд 130 содержит температурный датчик 132 и провода 134 температурного датчика. Температурный датчик 132 представляет собой любой датчик, который изменяет электрическую характеристику в ответ на изменения температуры, например, термопару или резистивный датчик температуры. Провода 134 температурного датчика представляют собой провода, совместимые с температурным датчиком 132, например, провод термопары. Электронная схема 123 содержит схему 136 датчика, схему 138 связи передатчика, приемопередатчик 140, маршрутизатор 142 данных, схему 144 регулирования мощности и устройство 146 накопления энергии. Схема 136 датчика обрабатывает сигналы датчика и обеспечивает возбуждение датчика, как известно в области техники. Схема 138 связи передатчика содержит схему связи для отправки и получения проводных сигналов, например, данных HART. Приемопередатчик 140 представляет собой устройство для передачи и получения данных связи на основе РЧ, например, данных WirelessHART. Маршрутизатор 142 данных представляет собой устройство, которое определяет маршрут пакетов данных. Схема 144 регулирования мощности принимает входную мощность и регулирует ее так, как необходимо для использования другими компонентами электронной схемы 123. Устройство 146 накопления энергии накапливает энергию для использования другими компонентами электронной схемы 123 и, например, является первичной батареей, перезаряжаемой батареей, конденсатором большой емкости или накопительным конденсатором, как известно в области техники. Термокарман 114 представляет собой установленный на фланце технологический компонент, содержащий узел 126 термоэлектрического генератора, устройство 127 теплопередачи, изоляцию 128a, изоляцию 128b, полость 148 теплокармана и тепловую трубу 150. Узел 126 термоэлектрического генератора содержит термоэлектрический элемент 152, распределитель 154 тепла и шнур 158 питания. Термоэлектрический элемент 152 представляет собой устройство, которое создает напряжение на устройстве и электрический ток через устройство (когда подключено к электрической нагрузке), когда противоположные стороны устройства удерживаются при различных температурах, например, устройство на основе полупроводников, известного в данной области техники типа, изготовленное из ряда перемежающихся полупроводников n-типа и p-типа. Распределитель 154 тепла представляет собой блок материала с большой теплопроводностью, например, меди, используемый, чтобы выравнивать тепловой поток по поверхности термоэлектрического элемента 152. Устройство 127 теплопередачи представляет собой любое устройство для эффективного обмена теплом с окружающей текучей средой А. Как показано, устройство 127 теплопередачи представляет собой игольчатый теплообменник, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, например, меди, и спроектирован с большим отношением площади поверхности к объему, чтобы усиливать теплопередачу. Изоляция 128a и изоляция 128b представляют собой любой тип прочных термоизоляционных структур, совместимых с окружающей текучей средой А. В этом варианте осуществления тепловая труба 150 содержит заправочное отверстие 160, пробку 162, теплосборную полость 164, трубу 166 теплопередачи и полость 168 рассеивания тепла. Пробка 162 представляет собой любую пробку, которая плотно закрывает, например, металлическую пробку с резьбой. Теплосборная полость 164 представляет собой ту часть тепловой трубы 150, встроенную в часть термокармана 114, которая находится в прямом контакте с технологической текучей средой F. Полость 168 рассеивания тепла представляет собой ту часть тепловой трубы 150, которая находится в прямом контакте с узлом 126 термоэлектрического генератора. Труба 166 теплопередачи представляет собой ту часть тепловой трубы 150, которая соединяет теплосборную полость 164 с полостью 168 рассеивания тепла.
Технологический фланец 116 крепится (как правило, приваривается) к отверстию в технологическом трубопроводе 120, чтобы создавать гнездо в технологический трубопровод 120. Уплотнительная прокладка (не показана) вставляется между сопряженными поверхностями термокармана 114 и технологического фланца 116 перед тем, как термокарман 114 вставляется в гнездо, чтобы быть в непосредственном контакте с технологической текучей средой F, когда она течет через технологический трубопровод 120, как представлено на фиг. 2A. Термокарман 114 соединяется с технологическим фланцем 116 на фланцевой части термокармана 114 множеством фланцевых болтов 118 (как правило, четырьмя или более, два показаны). Температурный зонд 130 вставляется в полость 148 термокармана так, что температурный датчик 132 находится в или возле конца термокармана 114, находящегося максимально глубоко в технологической текучей среде F. Температурный зонд 130, как правило, удерживается на месте резьбовым соединением возле конца температурного зонда 130, противоположного концу температурного датчика 132. Провода 134 температурного датчика соединяют температурный зонд 130 с электронной схемой 123 в кожухе 122 электроники на схеме 136 датчика. Антенна 124 соединяется с электронной схемой 123 в кожухе 122 электроники на приемопередатчике 140. В электронной схеме 123 схема 136 датчика соединяется со схемой 138 связи передатчика. Схема 138 связи передатчика соединяется с маршрутизатором 142 данных, который соединяется с приемопередатчиком 140. Схема 144 регулирования мощности соединяется с устройством 146 накопления энергии, схемой 136 датчика, схемой 138 связи передатчика, маршрутизатором 142 данных и приемопередатчиком 140. Тепловая труба 150 проходит из теплосборной полости 164, описанной ниже со ссылкой на фиг. 2D, в трубу 166 теплопередачи, описанную ниже со ссылкой на фиг. 2F, в полость 168 рассеивания тепла, описанную ниже со ссылкой на фиг. 2E. Пробка 162 плотно закрывает заправочное отверстие 160. Полость 168 рассеивания тепла тепловой трубы 150 соединяется с узлом 126 термоэлектрического генератора на распределителе 154 тепла. Распределитель 154 тепла тесно скреплен с одной стороной термоэлектрического элемента 152, а устройство 127 теплопередачи тесно скреплено с другой стороной термоэлектрического элемента 152, противоположной распределителю 154 тепла. Шнур 158 питания соединяет термоэлектрический элемент 152 с кожухом 122 электроники на схеме 144 регулирования мощности. Изоляция 128a располагается в промежутке между устройством 127 теплопередачи и внешней поверхностью термокармана 114, причем изоляция 128a проходит за края устройства 127 теплопередачи, чтобы гарантировать хорошую термоизоляцию. Изоляция 128b располагается в пространстве между устройством 127 теплопередачи и фланцевой частью термокармана 114, прикрепленной к технологическому фланцу 116. Термокарман 114 физически и электрически соединен с беспроводным полевым устройством 112, обеспечивая область взаимодействия между технологической текучей средой F и температурным зондом 130. В другом случае кожух 122 электроники, электронная схема 123 и антенна 124 физически отделены от температурного зонда 130 и термокармана 114, но электрически соединены с ними.
В работе температурный датчик 132 изменяет электрическую характеристику в ответ на изменение температуры технологической текучей среды F. Изменение электрической характеристики проводится через провода 134 температурного датчика на схему 136 датчика. Схема 136 датчика переводит изменение электрической характеристики в температурное измерение. Схема 136 датчика отправляет температурное измерение на схему 138 связи передатчика, которая отправляет температурное измерение и любую дополнительную информацию (например, идентификационный номер беспроводного полевого устройства) по проводной связи (не показан) на маршрутизатор 142 данных. Маршрутизатор 142 данных форматирует информацию в пакет цифровых данных, вместе с информацией о направлении передачи, и отправляет пакет цифровых данных на приемопередатчик 140 для передачи в ячеистую сеть беспроводных полевых устройств через антенну 124.
Кроме того, как член ячеистой сети беспроводных полевых устройств, беспроводное полевое устройство 112 также может определять маршрут пакетов данных, полученных от ячеистой сети беспроводных полевых устройств. Приемопередатчик 140 принимает пакеты цифровых данных от ячеистой сети беспроводных полевых устройств через антенну 124 и отправляет пакеты цифровых данных на маршрутизатор 142 данных. Маршрутизатор 142 данных определяет маршрут пакетов данных, полученных приемопередатчиком 140, распаковывая полезную нагрузку связи для потребления схемой 138 связи передатчика, если адрес устройства беспроводного полевого устройства 112 совпадает с адресом конечного назначения в пакете, или перенаправляя пакеты цифровых данных обратно на приемопередатчик 140 для передачи обратно в сеть через антенну 124 по следующему назначению в логическом пути.
По меньшей мере часть мощности для опознавания температуры и передачи данных, описанных выше, в варианте осуществления настоящего изобретения обеспечивается работой узла 126 термоэлектрического генератора с потока тепла, эффективно подаваемым тепловой трубой 150. Теплосборная полость 164 собирает тепло из технологической текучей среды F как описано ниже со ссылкой на фиг. 2D. Труба 166 теплопередачи передает тепло из теплосборной полости 164 в полость 168 рассеивания тепла, как описано ниже со ссылкой на фиг. 2F. В полости 168 рассеивания тепла тепло передается в распределитель 154 тепла (как описано ниже со ссылкой на фиг. 2E), который выравнивает тепловой поток, когда поток тепла проводится через распределитель 154 тепла на термоэлектрический элемент 152. Когда тепло течет через термоэлектрический элемент 152, генерируется напряжение, как функция количества тепла, текущего через термоэлектрический элемент 152, и ток течет в беспроводное полевое устройство 112. Генерация напряжения и тока производит электроэнергию. Если тепло не удаляется со стороны, противоположной распределителю 154 тепла, быстро достигается тепловое равновесие, и поток тепла прекращается, равно как и производство энергии. Непрерывное производство энергии требует удаления тепла со стороны термоэлектрического элемента 152, противоположной распределителю 154 тепла. Устройство 127 теплопередачи, своей большой площадью поверхности, эффективно удаляет тепло со стороны термоэлектрического элемента 152, противоположной распределителю 154 тепла, путем отвода в окружающую текучую среду А. Окружающая текучая среда А, посредством конвекции, проводимости или их сочетания, поглощает или уносит тепло с устройства 127 теплопередачи, таким образом, поддерживая устойчивый поток тепла через термоэлектрический элемент 152, необходимый для непрерывного производства энергии. В этом варианте осуществления изоляция 128a и изоляция 128b сокращают тепло, входящее в устройство 127 теплопередачи из источников, отличающихся от термоэлектрического элемента 152, изолируя области, вероятно находящиеся при температуре между температурами технологической текучей среды F и окружающей текучей среды А, такие как внешние поверхности термокармана 114 и технологический трубопровод 120. Это повышает эффективность узла 126 термоэлектрического генератора, ограничивая тепло, подлежащее удалению устройством 127 теплопередачи, преимущественно теплом, текущим через термоэлектрический элемент 152. Энергия, производимая термоэлектрическим элементом 152, проводится шнуром 158 питания на схему 144 регулирования мощности. Схема 144 регулирования мощности регулирует мощность и распределяет ее, как необходимо, на схему 136 датчика, схему 138 связи передатчика, маршрутизатор 142 данных и приемопередатчик 140 для операций опознавания температуры и передачи данных, описанных выше. Необязательно, энергия, избыточная для непосредственных требований операций опознавания температуры и передачи данных, хранится в устройстве 146 накопления энергии. Энергия, хранящаяся в устройстве 146 накопления энергии, извлекается схемой 144 регулирования мощности, когда требования операций опознавания температуры и передачи данных превышают мощность, непосредственно доступную от узла 126 термоэлектрического генератора, например, во время процесса запуска или отключения, когда температура технологической текучей среды F ниже, чем во время обычной работы процесса.
В соответствии с одним вариантом осуществления, фиг. 2B представляет собой поперечное сечение части термокармана 114, которая находится в прямом контакте с технологической текучей средой F. Как представлено на фиг. 2B, теплосборная полость 164 имеет круглое поперечное сечение. Трубчатая форма теплосборной полости 164 эффективно создается, например, сверлением. Трубчатая форма проходит по всей тепловой трубе 150, за исключением полости 168 рассеивания тепла.
Фиг. 2C представляет собой изображение одного варианта осуществления формы полости 168 рассеивания тепла. Круглое поперечное сечение трубки 166 теплопередачи завершается на крае полости 168 рассеивания тепла. Полость 168 рассеивания тепла представляет собой прямоугольную полость, соответствующую прямоугольной форме распределителя 154 тепла. Эта форма также эффективно создается способами производства, известными в данной области техники. Полость 168 рассеивания тепла состоит из внутренних поверхностей термокармана 114 на пяти или шести сторонах и распределителя 154 тепла на остающейся стороне. Фиг. 2C также представляет изображение формы устройства 127 теплопередачи. Устройство 127 теплопередачи оборачивается частично вокруг внешней части термокармана 114, чтобы увеличивать площадь поверхности устройства 127 теплопередачи. Как упомянуто выше, изоляция 128a предпочтительно заполняет промежуток между частями устройства 127 теплопередачи, которые выходят за термоэлектрический элемент 152, и внешней частью термокармана 114. Изоляция 128a выходит за края устройства 127 теплопередачи во всех направлениях, чтобы гарантировать хорошую термоизоляцию от внешних поверхностей термокармана 114, которые находятся при температуре между температурами технологической текучей среды F и окружающей текучей среды A.
Важнейшим элементом в эффективной работе варианта осуществления, представленного на фиг. 2A, является работа тепловой трубы 150. Фиг. 2D представляет изображение механизма теплопередачи, работающего, чтобы переносить тепло из технологической текучей среды F в тепловую трубу 150. Фиг. 2D представляет собой изображение в поперечном сечении части теплосборной полости 164. В этом варианте осуществления тепловая труба 150 также содержит рабочую текучую среду 170 и капиллярное устройство 172. Рабочая текучая среда 170 предпочтительно присутствует в тепловой трубе 150 как в жидкой (L), так и в парообразной (V) фазах. Рабочая текучая среда 170 выбирается в зависимости от ожидаемого диапазона рабочих температур между температурами технологической текучей среды F и окружающей текучей среды A и представляет собой, например, воду, аммиак, метанол или этанол. Предпочтительно капиллярное устройство 172 представляет собой материал с достаточно маленькими порами, чтобы оказывать достаточное капиллярное давление на жидкую фазу рабочей текучей среды 170 и легко смачиваемую рабочей текучей средой 170, например, спеченную керамику, металлическую сетку, металлический войлок или металлическую пену. В другом случае капиллярное устройство 172 содержит желоба на стороне тепловой трубы 150, проходящие по длине тепловой трубы 150, имеющие такой размер, чтобы обеспечивать требуемое капиллярное давление на жидкую фазу рабочей текучей среды 170.
В соответствии с одним вариантом осуществления, капиллярное устройство 172 очерчивает стороны теплосборной полости 164 и содержит рабочую текучую среду 170 в L фазе. В работе тепло H из технологической текучей среды F течет через металлические стенки, окружающие теплосборную полость 164. L фаза рабочей текучей среды 170 в теплосборной полости 164 поглощает поток тепла и изменяется на V фазу рабочей текучей среды 170, когда поглощенное тепло достигает тепла испарения для рабочей текучей среды 170. V фаза рабочей текучей среды 170 выходит из капиллярного устройства 172 во внутреннюю часть теплосборной полости 164, увеличивая давление в теплосборной полости 164 и заставляя V фазу рабочей текучей среды 170 вытекать из теплосборной полости 164 в трубу 166 теплопередачи. В то же время испарение L фазы рабочей текучей среды 170 из капиллярного устройства 172 позволяет большему количеству L фазы рабочей текучей среды 170 течь в теплосборную полость 164 из трубы 166 теплопередачи, движимому капиллярным давлением в капиллярном устройстве 172. Таким образом, тепло эффективно течет из технологической текучей среды F в теплосборную полость 164 и из нее. Хотя наиболее эффективный поток тепла проходит через самую тонкую часть термокармана 114, отделяющую теплосборную полость 164 от технологической текучей среды F, проведение тепла через всю часть термокармана 114, находящуюся в контакте с технологической текучей средой F, позволяет теплу течь в теплосборную полость 164 со всех направлений.
Соответственно этому варианту осуществления, фиг. 2E представляет собой изображение механизма теплопередачи, работающего, чтобы переносить тепло из тепловой трубы 150 в узел 126 термоэлектрического генератора. Фиг. 2E представляет собой изображение поперечного сечения полости 168 рассеивания тепла (и соединительной части тепловой трубы 166). Как и теплосборная полость 164, полость 168 рассеивания тепла содержит V фазу рабочей текучей среды 170 и очерчена капиллярным устройством 172, которое содержит L фазу рабочей текучей среды 170 (кроме малой области, содержащей заправочную пробку 162). В отличие от теплосборной полости 164, рабочая текучая среда 170 в полости 168 рассеивания тепла охлаждается вследствие работы устройства 127 теплопередачи. При работе V фаза рабочей текучей среды 170 во внутренней части полости 168 рассеивания тепла конденсируется на более холодных поверхностях распределителя 154 тепла, изменяется на L фазу рабочей текучей среды 170 и освобождает тепло испарения, поглощенное в теплосборной полости 164. Освобожденное тепло H проводится в распределитель 154 тепла и через термоэлектрический элемент 152 на устройство 127 теплопередачи. L фаза рабочей текучей среды 170 увлажняет капиллярное устройство 172 и выводится из полости 168 рассеивания тепла в трубу 166 теплопередачи капиллярным давлением в капиллярном устройстве 172. В то же время конденсация V фазы рабочей текучей среды 170 в полости 168 рассеивания тепла уменьшает давление в полости 168 рассеивания тепла, обеспечивая перепад давления, чтобы заводить больше V фазы рабочей текучей среды 170 из трубы 166 теплопередачи в полость 168 рассеивания тепла. Таким образом, тепло эффективно течет из тепловой трубы 150 в узел 126 термоэлектрического генератора.
Фиг. 2F представляет собой изображение одного варианта осуществления механизма теплопередачи, работающего, чтобы передавать тепло, собранное из теплосборной полости 164, как представлено на фиг. 2D, в полость 168 рассеивания тепла, как представлено на фиг. 2E. Фиг. 2F представляет собой поперечное сечение части трубы 166 теплопередачи, которая физически и термически соединяет теплосборную полость 164 и полость 168 рассеивания тепла. Как теплосборная полость 164 и полость 168 рассеивания тепла, труба 166 теплопередачи содержит V фазу рабочей текучей среды 170 и очерчена капиллярным устройством 172, которое содержит L фазу рабочей текучей среды 170. Капиллярное устройство 172 в трубе 166 теплопередачи соединяется с капиллярным устройством 172 в теплосборной полости 164 и капиллярным устройством 172 в полости 168 рассеивания тепла непрерывным образом, так что конденсирующаяся L фаза рабочей текучей среды 170 из полости 168 рассеивания тепла течет через трубу 166 теплопередачи в теплосборную полость 164, движимая капиллярным давлением в капиллярном устройстве 172. В зависимости от установочной ориентации термокармана 114, капиллярное давление может работать вместе с силой тяжести или против нее. Капиллярное давление в капиллярном устройстве 172 должно быть достаточным, чтобы преодолевать перепад давлений между теплосборной полостью 164 и полостью 168 рассеивания тепла, в дополнение к капиллярному давлению, необходимому, чтобы преодолевать силу тяжести, чтобы перемещать непрерывный источник L фазы рабочей текучей среды 170 в теплосборную полость 164. Внутренняя часть трубы 166 теплопередачи соединяется с внутренними частями теплосборной полости 164 и полости 168 рассеивания тепла непрерывным образом, так что V фаза рабочей текучей среды 170 течет через внутреннюю часть трубы 166 теплопередачи из теплосборной полости 164 в полость 168 рассеивания тепла, движимая перепадом давлений, вызванным испарением L фазы рабочей текучей среды 170 в теплосборной полости 164 и конденсацией V фазы рабочей текучей среды 170 в полости 168 рассеивания тепла.
Согласно одному варианту осуществления, термокарман 114 в идеале собирается на заводе в точно контролируемых условиях, гарантируя последовательную надежную работу. Это обеспечивается, в отличие от стягивания или другой установки термоэлектрического генератора на сосуде прямо на месте. Тепловая труба 150 предпочтительно герметизирована при частичном вакууме, достаточном, чтобы поддерживать внутреннее давление около давления пара рабочей текучей среды 170 и удалять неконденсирующиеся газы, присутствие которых препятствовало бы потоку V фазы рабочей текучей среды 170 и уменьшало эффективность тепловой трубы 150. Рабочая текучая среда 170 загружается в тепловую трубу 150 через заправочное отверстие 160 и герметизируется при частичном вакууме пробкой 162, как представлено на фиг. 2A.
Вариант осуществления настоящего изобретения, представленный на фиг. 2A-2F, значительно усиливает тепловой поток, доступный для преобразования термоэлектрическим генератором, путем встраивания тепловой трубы в термокарман в прямом контакте с технологической текучей средой. Путем прямого прохождения через стенку сосуда устраняется проблема термального сопротивления через стенку сосуда, как и необходимость обеспечивать хорошее термическое соединение между термоэлектрическим генератором и стенкой сосуда. Также, поскольку тепло течет в тепловую трубу 150 со всей площади поверхности теплосборной полости 164 и передается теплом испарения со всей внутренней поверхности теплосборной полости, тепло, передаваемое тепловой трубой 150, может быть чрезвычайно большим. В конечном итоге количество передаваемого тепла зависит от площади теплосбороной полости 164, размера и эффективности устройства 127 теплопередачи и разности температур между окружающей текучей средой А и технологической текучей средой F. Наконец, поскольку весь элемент может быть собран и протестирован в тщательно контролируемых условиях на предприятии, производительность является более последовательной и эффективной.
Трубчатая форма теплосборной полости, представленная на фиг. 2A-2F, является одной из множества возможных для применения форм, в зависимости от технологического компонента и количества энергии, которое нужно производить. Фиг. 3A-3C представляют собой изображения другого варианта осуществления настоящего изобретения, включенного в термокарман, для подачи питания беспроводному полевому устройству для измерения температуры. На фиг. 3A-3C теплосборная полость цилиндрической формы сочетается с узлом термоэлектрического генератора, содержащим два термоэлектрических элемента. Более крупная теплосборная полость, со своей увеличенной площадью поверхности, подает гораздо больший поток тепла, чем в варианте осуществления, представленном на фиг. 2A-2F. Для поддержки большего потока тепла также требуется существенно большее устройство теплопередачи. Большее количество тепла, текущее через два термоэлектрических элемента, производит существенно больше энергии, чем в варианте осуществления, представленном на фиг. 2A-2F. Дополнительная энергия полезна для беспроводных устройств, в которых, например, желательны более частые передачи. Дополнительная энергия также полезна для питания других элементов сети беспроводных полевых устройств, например, центрального контроллера, шлюза; удаленного телеметрического элемента или обратного радиосоединения, которое соединяет шлюз с сетью более высокого уровня или хост-компьютером.
На фиг. 3A представлено поперечное сечение другого варианта осуществления настоящего изобретения, включенного в термокарман, для подачи питания беспроводному полевому устройству для измерения температуры. Большинство компонентов варианта осуществления, представленного на фиг. 3А, идентичны описанным со ссылкой на фиг. 2A-2F, с номерами ссылок, отличающимися на 100. Фиг. 3A представляет точку 210 технологического измерения, содержащую беспроводное полевое устройство 212, термокарман 214, технологический фланец 216, фланцевые болты 218 и технологический трубопровод 220, содержащий технологическую текучую среду F. Теплоотвод обеспечивается окружающей текучей средой А. Беспроводное полевое устройство 212 идентично беспроводному полевому устройству 112, описанному выше. Термокарман 214 представляет собой установленный на фланце технологический компонент, содержащий узел 226 термоэлектрического генератора, устройство 227 теплопередачи, изоляцию 228a, изоляцию 228b, полость 248 термокармана и тепловую трубу 250. Узел 226 термоэлектрического генератора содержит два термоэлектрических элемента 252, два распределителя 254 тепла и два шнура 258 питания. Термоэлектрические элементы 252 идентичны термоэлектрическому элементу 152, описанному выше. Как показано, устройство 227 теплопередачи идентично устройству 127 теплопередачи, описанному выше, за исключением того, что оно полностью окружает термокарман 214. Тепловая труба 250 содержит два заправочных отверстия 260, две пробки 262, теплосборную полость 264, трубу 266 теплопередачи и две полости 268 рассеивания тепла. Тепловая труба 250 также содержит капиллярное устройство (не показано) и рабочую текучую среду, представленную как в жидкой, так и в парообразной фазах (не показана); и капиллярное устройство, и рабочая текучая среда такие же, как описаны выше со ссылкой на фиг. 2D-2F. Использование двух заправочных отверстий 260 на противоположных сторонах тепловой трубы 250 обеспечивает более эффективную загрузку рабочей текучей среды. Теплосборная полость 264 представляет собой ту часть тепловой трубы 250, встроенной в часть термокармана 214, которая находится в прямом контакте с технологической текучей средой F. Полости 268 рассеивания тепла представляет собой те части тепловой трубы 250, которые находятся в прямом контакте с узлом 226 термоэлектрического генератора. Труба 266 теплопередачи представляет собой ту часть тепловой трубы 250, которая соединяет теплосборную полость 264 с полостями 268 рассеивания тепла. Соединения и операции варианта осуществления, представленного на фиг. 3А, такие же, как описаны выше со ссылкой на фиг. 2A, с номерами компонентов, увеличенными на 100.
Фиг. 3В представляет собой поперечное сечение части термокармана 214, которая находится в прямом контакте с технологической текучей средой F. Как представлено на фиг. 3B, теплосборная полость 264 имеет цилиндрическое поперечное сечение. Цилиндрическая форма теплосборной полости 264 эффективно создается производственными способами, известными в данной области техники. В этом варианте осуществления цилиндрическая форма продолжается по всей тепловой трубе 250, за исключением полостей 268 рассеивания тепла.
Фиг. 3C представляет собой поперечное сечение части термокармана 214, содержащей полости 268 рассеивания тепла. Цилиндрическое поперечное сечение трубки 266 теплопередачи завершается на соединении с полостями 268 рассеивания тепла. Полости 268 рассеивания тепла идентичны полости 168 рассеивания тепла, описанной выше. Фиг. 3C также представляет изображение формы устройства 227 теплопередачи. Устройство 227 теплопередачи полностью оборачивается вокруг внешней части термокармана 214. Как и в описанных выше вариантах осуществления, изоляция 228a заполняет промежуток между частями устройства 227 теплопередачи, которые выходят за термоэлектрические элементы 252, и внешней частью термокармана 214. Изоляция 228a проходит за края устройства 227 теплопередачи, чтобы гарантировать хорошую термоизоляцию от внутренних поверхностей термокармана 214.
Вариант осуществления настоящего изобретения, представленный на фиг. 3A-3C, значительно увеличивает тепловой поток, доступный для преобразования термоэлектрическим генератором, путем внедрения тепловой трубы в термокарман в прямом контакте с технологической текучей средой. Этот вариант осуществления, в дополнение ко всем преимуществам, описанным для вариантов осуществления выше, способен производить существенно больше энергии путем увеличения размера как тепловой трубы, так и узла термоэлектрического генератора. Хотя вариант осуществления показан с двумя термоэлекрическими элементами, понятно, что могут быть добавлены дополнительные термоэлектрические элементы, чтобы производить дополнительную энергию, при условии создания достаточного потока тепла.
Как указано выше, беспроводные полевые устройства, наподобие представленного на фиг. 1, могут измерять любые из ряда технологических характеристик, таких как, например, давление, скорость потока, массовый расход, pH, температура, плотность и проводимость; или могут контролировать технологическое оборудование на такие свойства как вибрация, нагрузка или коррозия; или могут контролировать общую производственную среду на такие свойства как обнаружение огня и газа; или могут определять настоящее положение рабочих и оборудования. Фиг. 4A-4C представляют собой изображения варианта осуществления настоящего изобретения для подачи питания беспроводному устройству в ячеистой сети беспроводных полевых устройств, с термоэлектрическим генератором, включенным в технологический компонент, где технологический компонент является усредняющей трубкой Пито, а беспроводное устройство является беспроводным полевым устройством для измерения потока. Усредняющая трубка Пито, такая как, например, Rosemount 485 Annubar, измеряет скорость потока путем восприятия полного (высокого) и статического (низкого) давлений, оказываемых текучей средой, текущей по трубке Пито. Увеличивающаяся скорость потока создает большую разность между двумя давлениями. Два давления передаются через гнезда и камеры в трубке Пито на дифференциальный датчик давления, который прямо измеряет разность между двумя давлениями.
На фиг. 4А представлено поперечное сечение усредняющей трубки Пито, включающей один вариант осуществления настоящего изобретения. На фиг. 4А показывается точка 310 технологического измерения, содержащая беспроводное полевое устройство 312, усредняющую трубку 314 Пито, технологический фланец 316, фланцевые болты 318 и технологический трубопровод 320, содержащий технологическую текучую среду F. Теплоотвод обеспечивается окружающей текучей средой А. Окружающая текучая среда А окружает точку 310 технологического измерения и обычно является воздухом. Хотя технологический трубопровод 320 представлен на фиг. 1 как труба, он также может быть любым из ряда технологических сосудов, включая технологический бак, резервуар, теплообменник, бойлер, дистилляционную колонну, печь для обжига или реактор. Беспроводное полевое устройство 312 содержит кожух 322 электроники, электронную схему 323, антенну 324 и датчик 330 разности давления (DP). Датчик 330 DP представляет собой любой датчик или датчики, которые изменяют электрическую характеристику в ответ на измерения в разности между двумя одновременно воспринимаемыми давлениями, такие как, например, датчик давления Rosemount 3051S. Электронная схема 323 содержит схему 336 датчика, схему 338 связи передатчика, приемопередатчик 340, маршрутизатор 342 данных, схему 344 регулирования мощности и устройство 346 накопления энергии. Схема 336 датчика обрабатывает сигналы датчика и обеспечивает возбуждение датчика, как известно в данной области техники. Схема 338 связи передатчика содержит схему связи для отправки и получения проводных сигналов. Приемопередатчик 340 представляет собой устройство для передачи и получения передаваемых данных на РЧ основе. Маршрутизатор 342 данных представляет собой устройство, которое определяет маршрут пакетов данных. Схема 344 регулирования мощности принимает входную мощность и регулирует ее так, как необходимо для использования другими компонентами электронной схемы 323. Устройство 346 накопления энергии накапливает энергию для использования другими компонентами электронной схемы 323 и, например, является первичной батареей, перезаряжаемой батареей, конденсатором большой емкости или накопительным конденсатором, как известно в данной области техники. Усредняющая трубка 314 Пито представляет собой установленный на фланце технологический компонент, содержащий узел 326 термоэлектрического генератора, устройство 327 теплопередачи, изоляцию 328a, изоляцию 328b, камеру 332 высокого давления, камеру 334 низкого давления и тепловую трубу 350. Узел 326 термоэлектрического генератора содержит термоэлектрический элемент 352, распределитель 354 тепла и шнур 358 питания. Термоэлектрический элемент 352 представляет собой устройство, которое создает напряжение на устройстве и электрический ток через устройство (когда подключено к электрической нагрузке), когда противоположные стороны устройства удерживаются при различных температурах, например, устройство на основе полупроводников, известного в данной области техники типа, изготовленное из ряда перемежающихся полупроводников n-типа и p-типа. Распределитель 354 тепла представляет собой блок материала с большой теплопроводностью, например, меди, используемый, чтобы выравнивать тепловой поток по поверхности термоэлектрического элемента 352. Устройство 327 теплопередачи представляет собой любое устройство для эффективного обмена теплом с окружающей текучей средой А. Как показано, устройство 327 теплопередачи представляет собой игольчатый теплообменник, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, например, меди, и спроектирован с большим отношением площади поверхности к объему, чтобы усиливать теплопередачу. Изоляция 328a и изоляция 328b представляют собой любой тип прочной термоизоляционной структуры, совместимой с окружающей текучей средой А. Тепловая труба 350 содержит заправочное отверстие 360, пробку 362, теплосборную полость 364, трубу 366 теплопередачи и полость 368 рассеивания тепла. Теплосборная полость 364 представляет собой ту часть тепловой трубы 350, встроенной в часть усредняющей трубки 314 Пито, которая находится в прямом контакте с технологической текучей средой F. Полость 368 рассеивания тепла представляет собой ту часть тепловой трубы 350, которая находится в прямом контакте с узлом 326 термоэлектрического генератора. Труба 366 теплопередачи представляет собой ту часть тепловой трубы 350, которая соединяет теплосборную полость 364 с полостью 368 рассеивания тепла. Тепловая труба 350 также содержит капиллярное устройство (не показано) и рабочую текучую среду, представленную как в жидкой, так и в парообразной фазах (не показана); и капиллярное устройство, и рабочая текучая среда такие же, как описаны выше со ссылкой на фиг. 2D-2F.
Технологический фланец 316 крепится (как правило, приваривается) к отверстию в технологическом трубопроводе 320, чтобы создавать гнездо в технологический трубопровод 320. Уплотнительная прокладка (не показана) вставляется между сопряженными поверхностями усредняющей трубки 314 Пито и технологического фланца 316 перед тем, как усредняющая трубка 314 Пито вставляется в гнездо, чтобы быть в прямом контакте с технологической текучей средой F, когда она течет через технологический трубопровод 320, как представлено на фиг. 4A. Усредняющая трубка 314 Пито соединяется с технологическим фланцем 316 на фланцевой части усредняющей трубки 314 Пито множеством фланцевых болтов 318 (как правило, четырьмя или более, два показаны). Датчик 330 DP крепится к усредняющей трубке 314 Пито так, что давление в камере 332 высокого давления и давление в камере 334 низкого давления одновременно воспринимаются датчиком 330 DP. Датчик 330 DP соединяется с электронной схемой 323 в кожухе 322 электроники на схеме 336 датчика. Антенна 324 соединяется с электронной схемой 323 в кожухе 322 электроники на приемопередатчике 340. В электронной схеме 323 схема 336 датчика соединяется со схемой 338 связи передатчика. Схема 338 связи передатчика соединяется с маршрутизатором 342 данных, который соединяется с приемопередатчиком 340. Схема 344 регулирования мощности соединяется с устройством 346 накопления энергии, схемой 336 датчика, схемой 338 связи передатчика, маршрутизатором 342 данных и приемопередатчиком 340. Тепловая труба 350 проходит из теплосборной полости 364 в полость 368 рассеивания тепла, причем труба 366 теплопередачи соединяет теплосборную полость 364 с полостью 368 рассеивания тепла. Пробка 362 герметично закрывает заправочное отверстие 360 после того, как рабочая текучая среда загружается в тепловую трубу 350 при частичном вакууме. Полость 368 рассеивания тепла тепловой трубы 350 соединяется с узлом 326 термоэлектрического генератора на распределителе 354 тепла. Распределитель 354 тепла тесно прикреплен к одной стороне термоэлектрического элемента 352, а устройство 327 теплопередачи тесно прикреплено к другой стороне термоэлектрического элемента 352, противоположной распределителю 354 тепла. Шнур 358 питания соединяет термоэлектрический элемент 352 с электронной схемой 323 в кожухе 322 электроники на схеме 344 регулирования мощности. Изоляция 328a располагается в промежутке между устройством 327 теплопередачи и внешней поверхностью усредняющей трубки 314 Пито, причем изоляция 328a проходит за края устройства 327 теплопередачи, чтобы гарантировать хорошую термоизоляцию. Аналогично, изоляция 328b располагается в пространстве между устройством 327 теплопередачи и фланцевой частью усредняющей трубки 314 Пито, прикрепленной к технологическому фланцу 316.
В работе датчик 330 DP изменяет электрическую характеристику в ответ на изменения в разности между давлением в камере 332 высокого давления и камере 334 низкого давления, два давления получаются в результате течения технологической текучей среды F по усредняющей трубке 314 Пито, когда проводится отдельными гнездами в трубке Пито в камеру 332 высокого давления и камеру 334 низкого давления. Изменение электрической характеристики переводится схемой 336 датчика в измерение потока. Схема 336 датчика отправляет измерение потока на схему 338 связи передатчика, которая отправляет измерение потока и любую дополнительную информацию (например, идентификационный номер беспроводного полевого устройства) по проводной связи (не показана) на маршрутизатор 342 данных. Маршрутизатор 342 данных форматирует информацию в пакет цифровых данных, вместе с информацией о направлении передачи, и отправляет пакет цифровых данных на приемопередатчик 340 для передачи в ячеистую сеть беспроводных полевых устройств через антенну 324.
Кроме того, как член ячеистой сети беспроводных полевых устройств, беспроводное полевое устройство 312 определяет маршрут пакетов данных, полученных от ячеистой сети беспроводных полевых устройств. Приемопередатчик 340 принимает пакеты цифровых данных от ячеистой сети беспроводных полевых устройств через антенну 324 и отправляет пакеты цифровых данных на маршрутизатор 342 данных. Маршрутизатор 342 данных определяет маршрут пакетов данных, полученных приемопередатчиком 340, распаковывая полезную нагрузку связи для потребления схемой 338 связи передатчика, если адрес устройства беспроводного полевого устройства 312 совпадает с адресом конечного назначения в пакете, или перенаправляя пакеты цифровых данных обратно на приемопередатчик 340 для передачи обратно в сеть через антенну 324 по следующему назначению в логическом пути.
По меньшей мере часть энергии для измерения потока и передачи данных, описанных выше, в варианте осуществления настоящего изобретения обеспечивается работой узла 326 термоэлектрического генератора с тепловым потоком, эффективно подаваемым тепловой трубой 350. Теплосборная полость 364 собирает тепло из технологической текучей среды F. Труба 364 теплопередачи передает тепло из теплосборной полости 364 в полость 368 рассеивания тепла. В полости 368 рассеивания тепла тепло передается в распределитель 354 тепла, который выравнивает тепловой поток, когда поток тепла проводится через распределитель 354 тепла на термоэлектрический элемент 352. Когда тепло течет через термоэлектрический элемент 352, напряжение и ток генерируются как функция количества тепла, текущего через термоэлектрический элемент 352. Генерация и напряжения, и тока производит энергию, которая потребляется беспроводным полевым устройством 312 как необходимо. Устройство 327 теплопередачи, своей большой площадью поверхности, эффективно удаляет тепло со стороны термоэлектрического элемента 352, противоположной распределителю 354 тепла, путем отвода в окружающую текучую среду А. Окружающая текучая среда А, посредством конвекции, проводимости или их сочетания, поглощает или уносит тепло, таким образом, поддерживая устойчивый поток тепла через термоэлектрический элемент 352, необходимый для непрерывного производства энергии. Изоляция 328a и изоляция 328b уменьшают тепло, входящее в устройство 327 теплопередачи из источников, отличающихся от термоэлектрического элемента 352, изолируя области, вероятно находящиеся при температуре между температурами технологической текучей среды F и окружающей текучей среды А, такие как внешние поверхности усредняющей трубки 314 Пито. Это повышает эффективность узла 326 термоэлектрического генератора, ограничивая тепло, подлежащее удалению устройством 327 теплопередачи, теплом, текущим через термоэлектрический элемент 352. Энергия, производимая термоэлектрическим элементом 352, проводится шнуром 358 питания на схему 344 регулирования мощности. Схема 344 регулирования мощности регулирует мощность и распределяет ее, как необходимо, на схему 336 датчика, схему 338 связи передатчика, маршрутизатор 342 данных и приемопередатчик 340 для операций измерения потока и передачи данных, описанных выше. Необязательно, энергия, избыточная для непосредственных требований операций измерения потока и передачи данных, хранится в устройстве 346 накопления энергии. Энергия, которая хранится в устройстве 346 накопления энергии, извлекается схемой 344 регулирования мощности, когда требования операций измерения потока и передачи данных превышают мощность, непосредственно доступную от узла 326 термоэлектрического генератора, например, во время процесса запуска или отключения, когда температура технологической текучей среды F ниже, чем во время обычной работы процесса.
Фиг. 4B представляет собой поперечное сечение части усредняющей трубки 314 Пито, которая находится в прямом контакте с технологической текучей средой F. Камера 332 высокого давления открывается полному (высокому) давлению, камера 334 низкого давления открывается статическому (низкому) давлению, и теплосборная полость 364 имеет замкнутое кольцеобразное поперечное сечение. В этом варианте осуществления трубчатая форма теплосборной полости 364 продолжается по всей тепловой трубе 350, за исключением полости 368 рассеивания тепла.
Фиг. 4C представляет изображение формы полости 368 рассеивания тепла в соответствии с этим вариантом осуществления. Круглое поперечное сечение трубки 366 теплопередачи завершается на крае полости 368 рассеивания тепла. Полость 368 рассеивания тепла представляет собой прямоугольную полость, соответствующую прямоугольной форме распределителя 354 тепла. Эта форма также эффективно создается способами производства, известными в данной области техники. Полость 368 рассеивания тепла состоит из внутренних поверхностей усредняющей трубки 314 Пито на пяти или шести сторонах и распределителя 354 тепла на остающейся стороне. Фиг. 4C также представляет изображение формы устройства 327 теплопередачи. Устройство 327 теплопередачи оборачивается частично вокруг внешней части усредняющей трубки 314 Пито, чтобы увеличивать площадь поверхности устройства 327 теплопередачи. Как упомянуто выше, изоляция 328a заполняет промежуток между частями устройства 327 теплопередачи, которые выходят за термоэлектрический элемент 352, и внешней частью усредняющей трубки 314 Пито. Изоляция 328a выходит за края устройства 327 теплопередачи во всех направлениях, чтобы гарантировать хорошую термоизоляцию от внешних поверхностей усредняющей трубки 314 Пито, которые находятся при температуре между температурами технологической текучей среды F и окружающей текучей среды A.
Вариант осуществления настоящего изобретения, представленный на фиг. 4A-4C, значительно усиливает тепловой поток, доступный для преобразования термоэлектрическим генератором, путем встраивания тепловой трубы в усредняющую трубку Пито в прямом контакте с технологической текучей средой. Путем прямого прохождения через стенку сосуда устраняется проблема термального сопротивления через стенку сосуда, как и необходимость обеспечивать хорошее термическое соединение между термоэлектрическим генератором и стенкой сосуда. Также, поскольку тепло течет в тепловую трубу 350 со всей площади поверхности теплосборной полости 364 и передается теплом испарения со всей внутренней поверхности теплосборной полости, тепло может очень эффективно переноситься тепловой трубой 350.
Варианты осуществления настоящего изобретения, описанные выше, содержат технологические компоненты, соединенные с сосудом технологическим фланцем. Альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения соединяются с сосудом не технологическим фланцем, например, резьбовым соединением или сварным соединением.

Фиг. 5A-5F представляют собой изображения еще одного варианта осуществления настоящего изобретения для подачи питания беспроводному устройству в ячеистой сети беспроводных полевых устройств, с термоэлектрическим генератором, встроенным в технологический компонент, где технологический компонент является фланцем измерительной диафрагмы, а беспроводное устройство является беспроводным полевым устройством для измерения потока. В отличие от вариантов осуществления, описанных выше, этот вариант осуществления замещает часть технологического трубопровода, через которую протекает технологическая текучая среда (или побочный продукт технологической текучей среды), а не крепится к внешнему отверстию в технологическом сосуде. Фланцы измерительной диафрагмы, такие, как, например, в Rosemount 1496 Flange Union, включают отводы давления для передачи давления текучей среды на датчик DP. Два таких фланца измерительной диафрагмы составляют фланцевое соединение, причем каждый фланец измерительной диафрагмы использует отвод давления, чтобы передавать давление текучей среды в трубе на датчик DP по импульсной линии. Измерительная диафрагма, например, Rosemount 1495 Orifice Plate, расположенная между двумя фланцами измерительной диафрагмы, вызывает падение давления на измерительной диафрагме, когда текучая среда должна протекать через диафрагму, приводя к тому, что на датчик DP передаются два разных давления текучей среды. Эта разность давлений является функцией скорости потока по трубе. Увеличение скорости потока создает большую разность между двумя давлениями. Два давления передаются через отводы давления и импульсные линии на датчик DP, который прямо измеряет разность между двумя давлениями.
Фиг. 5A представляет собой изображение одного варианта осуществления технологического компонента, содержащего настоящее изобретение, где технологический компонент представляет собой фланец измерительной диафрагмы. На фиг. 5A представлена точка 410 технологического измерения или контроля, содержащая беспроводное полевое устройство 412 для измерения потока, фланец 414 измерительной диафрагмы, измерительную диафрагму 415, фланец 416 измерительной диафрагмы, шпильки/гайки 418 и технологический трубопровод 420, содержащий технологическую текучую среду F. Теплоотвод обеспечивается окружающей текучей средой А. Окружающая текучая среда А окружает точку 410 технологического измерения и обычно является воздухом. Беспроводное полевое устройство 412 для измерения потока содержит кожух 422 электроники, электронную схему 423, антенну 424, датчик 430 разности давления (DP), импульсную линию 432 на стороне нагнетания (восходящую) и импульсную линию 434 на стороне всасывания (нисходящую). Импульсная линия 432 и импульсная линия 434, как правило, представляют собой металлические трубы, химически совместимые с технологической текучей средой F, например, из нержавеющей стали. Электронная схема 423 такая же, как описано выше со ссылкой на фиг. 4А, с номерами ссылок, увеличенными на 100. Фланец 414 измерительной диафрагмы представляет собой встроенный технологический компонент, содержащий отвод 433 давления на стороне нагнетания, узел 426 термоэлектрического генератора (представлен на фиг. 5B), устройство 427 теплопередачи, изоляцию 428 и тепловую трубу 450 (представлена на фиг. 5B). Узел 426 термоэлектрического генератора содержит шнур 458 питания. Фланец 416 измерительной диафрагмы представляет собой встроенный технологический компонент, содержащий отвод 435 давления на стороне всасывания. Вместе фланец 414 измерительной диафрагмы, измерительная диафрагма 415, фланец 416 измерительной диафрагмы, шпильки/гайки 418 и уплотнительные прокладки (не показаны) составляют фланцевое соединение измерительной диафрагмы.
Фланец 414 измерительной диафрагмы и фланец 416 измерительной диафрагмы прикрепляются к технологическому трубопроводу 420 в точках W, например, сваркой. Измерительная диафрагма 415 вставляется между фланцем 414 измерительной диафрагмы и фланцем 416 измерительной диафрагмы с первой уплотнительной прокладкой между измерительной диафрагмой 415 и фланцем 414 измерительной диафрагмы и второй уплотнительной прокладкой между измерительной диафрагмой 415 и фланцем 416 измерительной диафрагмы. Фланец 414 измерительной диафрагмы, измерительная диафрагма 415, фланец 416 измерительной диафрагмы и две прокладки скрепляются вместе множеством шпилек/гаек 418. Узел 426 термоэлектрического генератора встраивается во фланец 414 измерительной диафрагмы и находится в термическом контакте с технологической текучей средой F и окружающей текучей средой А. Изоляция 428 располагается, чтобы термически экранировать устройство 427 теплопередачи в термическом контакте с текучей средой А от частей фланца 414 измерительной диафрагмы в термическом контакте с технологической текучей средой F. Импульсная линия 432 соединяется с фланцем 414 измерительной диафрагмы на отводе 433 давления, например, резьбовым соединением. Аналогично, импульсная линия 434 соединяется с отводом 435 давления. Импульсная линия 432 и импульсная линия 434 соединяют отвод 433 давления и отвод 435 давления, соответственно, с датчиком 430 DP, физически соединяя беспроводное полевое устройство 412 для измерения потока с фланцем 414 измерительной диафрагмы и фланцем 416 измерительной диафрагмы, соответственно. Датчик 430 DP соединяется с электронной схемой 423 в кожухе 422 электроники на схеме 436 датчика. Соединения в кожухе 422 электроники такие, как описаны выше относительно фиг. 4А.
В работе импульсная линия 432 на стороне нагнетания и импульсная линия 434 на стороне всасывания передают технологические давления на датчик 430 DP. Датчик 430 DP изменяет электрическую характеристику в ответ на изменения в разности между давлением в импульсной линии 432 на стороне нагнетания и давлением в импульсной линии 434 на стороне всасывания, два давления происходят из ограниченного потока технологической текучей среды F через измерительную диафрагму. Изменение электрической характеристики переводится схемой 436 датчика в измерение потока.
По меньшей мере часть энергии для измерения потока и передачи данных, описанных выше, подается на беспроводное полевое устройство 412 для измерения потока, в варианте осуществления настоящего изобретения, работой узла 426 термоэлектрического генератора, причем поток тепла эффективно подается тепловой трубой 450, как описано выше со ссылкой на фиг. 4A, с номерами ссылок, увеличенными на 100 и представлено на фиг. 5B-5F. Поток тепла, движимый разностью температур между технологической текучей средой F и окружающей текучей средой A, перемещается тепловой трубой 450 во фланце 414 измерительной диафрагмы. Поток тепла проводится через узел 426 термоэлектрического генератора путем рассеивания тепла в окружающую текучую среду А устройством 427 теплопередачи, генерируя электроэнергию.
Фиг. 5B представляет собой поперечное сечение фланца 414 измерительной диафрагмы, показывающее узел 426 термоэлектрического генератора, устройство 427 теплопередачи, изоляцию 428 и тепловую трубу 450. Фиг. 5C представляет собой изображение части фиг. 5B, увеличенной, чтобы лучше представить подробности узла 426 термоэлектрического генератора, устройства 427 теплопередачи, изоляции 428 и части тепловой трубы 450. Фиг. 5C главным образом представляет расширенную часть фланца 414 измерительной диафрагмы, прикрепленную к основной, фланцевой части фланца 414 измерительной диафрагмы, например, резьбовым соединением (как показано) или сварным соединением. Расширенная часть фланца 414 измерительной диафрагмы служит затем, чтобы обеспечивать пространственное разделение для улучшенной термоизоляции, в дополнение к термическому экранированию изоляции 428, между устройством 427 теплопередачи в термическом контакте с текучей средой А и частями фланца 414 измерительной диафрагмы в термическом контакте с технологической текучей средой F. Как показано, устройство 427 теплопередачи представляет собой игольчатый теплообменник, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, например, меди, и спроектирован с большим отношением площади поверхности к объему, чтобы усиливать теплопередачу.
Как представлено на фиг. 5B-5C, узел 426 термоэлектрического генератора содержит термоэлектрический элемент 452, распределитель 454 тепла и шнур 458 питания. Термоэлектрический элемент 452 и распределитель 454 тепла такие, как описаны со ссылкой на фиг. 4A, с номерами ссылок, отличающимися на 100. Тепловая труба 450 содержит заправочное отверстие 460, пробку 462, теплосборную полость 464, трубу 466 теплопередачи и полость 468 рассеивания тепла. Теплосборная полость 464 представляет собой ту часть тепловой трубы 450, встроенной в часть фланца 414 измерительной диафрагмы, которая находится в прямом контакте с технологической текучей средой F. Полость 468 рассеивания тепла представляет собой ту часть тепловой трубы 450, которая находится в прямом контакте с узлом 426 термоэлектрического генератора. Труба 466 теплопередачи представляет собой ту часть тепловой трубы 450, которая соединяет теплосборную полость 464 с полостью 468 рассеивания тепла. Тепловая труба 450 также содержит капиллярное устройство (не показано) и рабочую текучую среду, представленную как в жидкой, так и в парообразной фазах (не показана); и капиллярное устройство, и рабочая текучая среда такие же, как описаны выше со ссылкой на фиг. 2D-2F.
Тепловая труба 450 проходит из теплосборной полости 464 в полость 468 рассеивания тепла, причем труба 466 теплопередачи соединяет теплосборную полость 464 с полостью 468 рассеивания тепла. Полость 468 рассеивания тепла тепловой трубы 450 соединяется с узлом 426 термоэлектрического генератора на распределителе 454 тепла. Распределитель 454 тепла тесно прикреплен к одной стороне термоэлектрического элемента 452, а устройство 427 теплопередачи тесно прикреплено к другой стороне термоэлектрического элемента 452, противоположной распределителю 454 тепла. Шнур 458 питания соединяет термоэлектрический элемент 452 с электронной схемой 423 в кожухе 422 электроники на схеме 444 регулирования мощности (представлено на фиг. 5A). Изоляция 428 располагается в промежутке между устройством 427 теплопередачи и внешней поверхностью фланца 414 измерительной диафрагмы, проходя за края устройства 427 теплопередачи, чтобы гарантировать хорошую термоизоляцию между устройством 427 теплопередачи и фланцевой частью фланца 414 измерительной диафрагмы.
Как представлено на фиг. 5B, теплосборная полость 464 проходит вдоль большей части фланца 414 измерительной диафрагмы, которая находится рядом с технологической текучей средой F. Фиг. 5D представляет собой поперечное сечение фланца 414 измерительной диафрагмы, показывающее цилиндрическую форму теплосборной полости 464. Эта форма окружает технологическую текучую среду F и предоставляет большую площадь поверхности для передачи тепла от технологической текучей среды F к тепловой трубе 450.
Фиг. 5Е представляет собой еще одно поперечное сечение фланца 414 измерительной диафрагмы. Фиг. 5E представляет собой изображение фланца 414 измерительной диафрагмы, повернутого на 90 градусов по сравнению с представленным на фиг. 5B. В дополнение к идентично пронумерованным элементам, представленным на фиг. 5B, фиг. 5E показывает отвод 433 давления на стороне нагнетания и множество отверстий 474 под болты. Устройство 427 теплопередачи проходит существенно за термоэлектрический элемент 452, чтобы обеспечивать большое соотношение площади поверхности к объему, чтобы улучшать передачу тепла в окружающую текучую среду А. Изоляция 428 располагается в промежутке между устройством 427 теплопередачи и внешней поверхностью фланца 414 измерительной диафрагмы, проходя далеко за края устройства 427 теплопередачи, чтобы гарантировать хорошую термоизоляцию между устройством 427 теплопередачи и как фланцевой, так и расширенной частями фланца 414 измерительной диафрагмы.
Фиг. 5F представляет собой еще одно поперечное сечение фланца 414 измерительной диафрагмы в осевой плоскости, повернутого на 90 градусов относительно представленного на фиг. 5В. Фиг. 5F представляет отвод 433 давления на стороне нагнетания и теплосборную полость 464 тепловой трубы 450. Как представлено на фиг. 5B и 5E-5F, тепловая труба 450 полностью отделена от отвода 433 давления на стороне нагнетания и не препятствует его работе.
Хотя вариант осуществления, представленный на фиг. 5A, описан с фланцем 414 измерительной диафрагмы, расположенным в положении вверх по течению, понятно, что фланец измерительной диафрагмы, содержащий настоящее изобретение, также работает, когда в другом случае расположен в положении вниз по течению. Кроме того, хотя на варианте осуществления, представленном на фиг. 5A, показан только фланец 414 измерительной диафрагмы, содержащий настоящее изобретение, чтобы подавать питание беспроводному полевому устройству 412 для измерения потока, понятно, что фланец 416 измерительной диафрагмы также может включать настоящее изобретение идентично фланцу 414 измерительной диафрагмы. Такое устройство увеличивает питание беспроводного полевого устройства 412 для измерения потока для применений, требующих, например, более частой связи с ячеистой сетью беспроводных полевых устройств. Дополнительная энергия также полезна для питания других элементов сети беспроводных полевых устройств, например, центрального контроллера, шлюза; удаленного телеметрического элемента или обратного радиосоединения, которое соединяет шлюз с сетью более высокого уровня или хост-компьютером.
Вариант осуществления настоящего изобретения, представленный на фиг. 5A-5F, значительно усиливает тепловой поток, доступный для преобразования термоэлектрическим генератором, путем встраивания тепловой трубы во фланец измерительной диафрагмы в прямом контакте с технологической текучей средой. Путем прямого прохождения через стенку сосуда устраняется проблема термального сопротивления через стенку сосуда, как и необходимость обеспечивать хорошее термическое соединение между термоэлектрическим генератором и стенкой сосуда. Также, поскольку тепло течет в тепловую трубу 450 со всей площади поверхности теплосборной полости 464 и передается теплом испарения со всей внутренней поверхности теплосборной полости, тепловой поток, перемещаемый тепловой трубой 450, является чрезвычайно большим.
Фиг. 6A-6E представляют собой изображения еще одного варианта осуществления настоящего изобретения для подачи питания беспроводному устройству в ячеистой сети беспроводных полевых устройств, с термоэлектрическим генератором, встроенным в технологический компонент, где технологический компонент является конденсационным горшком, а беспроводное устройство является беспроводным маршрутизатором данных. Как и вариант осуществления, описанный со ссылкой на фиг.5A-5D, этот вариант осуществления замещает часть технологического трубопровода, через которую протекает технологическая текучая среда (или побочный продукт технологической текучей среды), а не крепится к внешнему отверстию в технологическом сосуде. Фиг. 6A представляет собой изображение технологического компонента, содержащего настоящее изобретение, где технологический компонент представляет собой конденсационный горшок. Конденсационный горшок 514 крепится к технологическому трубопроводу, переносящему в основном пар, паропроводу 516, в точке 510 измерения или контроля. Точка 510 измерения или контроля представляет собой место, в котором естественно собирается вода, конденсирующаяся из пара. Точка 510 измерения или контроля содержит беспроводной маршрутизатор 512 данных. Конденсационная вода представляет собой побочный продукт технологической текучей среды, являющийся результатом потерь тепла из паропровода 516 в окружающую среду. Конденсационный горшок 514 содержит устройство, которое позволяет конденсационной воде вытекать из паропровода 516 и в технологический трубопровод для отвода конденсационной воды, конденсатопровод 520, одновременно контролируя, и в значительной мере предотвращая, утечку пара в конденсатопровод 520.
На фиг. 6B-6E показано, как конденсационный горшок 514, представленный на фиг. 6A, реализует настоящее изобретение. Фиг. 6B представляет собой изображение точки 510 технологического измерения или контроля, содержащей беспроводной маршрутизатор 512 данных, конденсационный горшок 514, паропровод 516 и конденсатопровод 520. Беспроводной маршрутизатор 512 данных содержит кожух 522 электроники, электронную схему 523 и антенну 524. Электронная схема 523 содержит приемопередатчик 540, маршрутизатор 542 данных, схему 544 регулирования мощности и устройство 546 накопления энергии. Конденсационный горшок 514 содержит узел 526 термоэлектрического генератора (представлен на фиг. 6E), устройство 527 теплопередачи, изоляцию 528, болты 518 конденсационного горшка и тепловую трубу 550 (представлена на фиг. 6C-6E). Узел 526 термоэлектрического генератора содержит шнур 558 питания. Как показано, устройство 527 теплопередачи является игольчатым теплообменником.
Конденсационный горшок 514 крепится, например, резьбовыми соединениями, к паропроводу 516 и конденсатопроводу 520. Узел 526 термоэлектрического генератора встраивается в конденсационный горшок 514 и находится в термическом контакте с паром/конденсатом F и окружающей текучей средой А. Пар/конденсат F представляет собой смесь пара и конденсата. Теплоотвод обеспечивается окружающей текучей средой А. Пар/конденсат F и окружающая текучая среда A имеют различную температуру. Шнур 558 питания соединяет узел 526 термоэлектрического генератора с электронной схемой 523 в кожухе 522 электроники на схеме 544 регулирования мощности.
В работе конденсационный горшок 514 позволяет конденсационной воде из паропровода 516 вытекать из паропровода 516 и в конденсатопровод 520, как объясняется ниже со ссылкой на фиг. 6C. Беспроводной маршрутизатор 512 данных определяет маршрут пакетов данных, полученных из ячеистой сети беспроводных полевых устройств. По меньшей мере часть энергии для этой передачи данных поставляется беспроводному маршрутизатору 512 данных в варианте осуществления настоящего изобретения работой узла 526 термоэлектрического генератора с потоком тепла, эффективно подаваемым тепловой трубой 550, как подробно описано ниже на фиг. 6C-6E. Поток тепла, движимый разностью температур между паром/конденсатом F и окружающей текучей средой A, перемещается тепловой трубой 550 (представлена на фиг. 6C-6E) в конденсационном горшке 514. Поток тепла проводится через узел 526 термоэлектрического генератора путем рассеивания тепла в окружающую текучую среду А устройством 527 теплопередачи, генерируя электроэнергию.
Фиг. 6C представляет собой поперечное сечение конденсационного горшка 514, показывающее часть тепловой трубы 550, теплосборной полости 564. Как показано на фиг. 6C, теплосборная полость 564 очерчивает внутреннюю часть конденсационного горшка, собирающую тепло из пара/конденсата F. Фиг. 6D представляет собой поперечное сечение конденсационного горшка 514, показывающее цилиндрическую форму теплосборной полости 564. Эта форма окружает пар/конденсат F, текущий через конденсационный горшок 514, и предоставляет большую площадь поверхности для передачи тепла от пара/конденсата F к тепловой трубе 550.
Фиг. 6Е представляет собой другое поперечное сечение конденсационного горшка 514. Фиг. 6E представляет собой изображение конденсационного горшка 514, повернутого на 90 градусов по сравнению с представленным на фиг. 6C. В дополнение к идентично пронумерованным элементам, представленным на фиг. 6C, фиг. 6E представляет узел 526 термоэлектрического генератора, также содержащий термоэлектрический элемент 552 и распределитель 554 тепла. Термоэлектрический элемент 552 и распределитель 554 тепла такие, как описаны со ссылкой на фиг. 4A, с номерами ссылок, отличающимися на 200. Тепловая труба 550 содержит заправочные отверстия 560a и 560b, пробки 562a и 562b, теплосборную полость 564, трубу 566 теплопередачи и полость 568 рассеивания тепла. Теплосборная полость 564 представляет собой ту часть тепловой трубы 550, встроенной в часть конденсационного горшка 514, которая находится в прямом контакте с паром/конденсатом F. Полость 568 рассеивания тепла представляет собой ту часть тепловой трубы 550, которая находится в прямом контакте с распределителем 554 тепла узла 526 термоэлектрического генератора. Труба 566 теплопередачи представляет собой ту часть тепловой трубы 550, которая соединяет теплосборную полость 564 с полостью 568 рассеивания тепла. Тепловая труба 550 также содержит капиллярное устройство (не показано) и рабочую текучую среду, представленную как в жидкой, так и в парообразной фазах (не показана); и капиллярное устройство, и рабочая текучая среда такие же, как описаны выше со ссылкой на фиг. 2D-2F.
Тепловая труба 550 проходит из теплосборной полости 564 в полость 568 рассеивания тепла, причем труба 566 теплопередачи соединяет теплосборную полость 564 с полостью 568 рассеивания тепла. Использование двух заправочных отверстий на противоположных сторонах тепловой трубы 550 обеспечивает более эффективную загрузку рабочей текучей среды. Полость 568 рассеивания тепла тепловой трубы 550 соединяется с узлом 526 термоэлектрического генератора на распределителе 554 тепла. Распределитель 554 тепла тесно прикреплен к одной стороне термоэлектрического элемента 552, а устройство 527 теплопередачи тесно прикреплено к другой стороне термоэлектрического элемента 552, противоположной распределителю 554 тепла. Изоляция 528 располагается в промежутке между устройством 527 теплопередачи и внешней поверхностью конденсационного горшка 514, проходя за края устройства 527 теплопередачи, чтобы гарантировать хорошую термоизоляцию между устройством 527 теплопередачи и внешними поверхностями конденсационного горшка 514.
Энергия для передачи данных обеспечивается работой узла 526 термоэлектрического генератора, с потоком тепла, эффективно подаваемым тепловой трубой 550, как описано выше со ссылкой на фиг. 4A, с номерами ссылок, увеличенными на 200. Хотя вариант осуществления, представленный на фиг. 6A-6E, описан с одним узлом термоэлектрического генератора, понятно, что второй узел термоэлектрического генератора, идентичный первому, может быть добавлен, чтобы увеличить мощность, доступную беспроводному маршрутизатору данных для применений, требующих, например, более частой связи с ячеистой сетью беспроводных полевых устройств.
Вариант осуществления настоящего изобретения, представленный на фиг. 6A-6E, значительно усиливает тепловой поток, доступный для преобразования термоэлектрическим генератором, путем встраивания тепловой трубы в конденсационный горшок в прямом контакте с потоком пара и конденсата. Путем прямого прохождения через стенку конденсационного горшка устраняется проблема термального сопротивления через стенку конденсационного горшка, как и необходимость обеспечивать хорошее термическое соединение между термоэлектрическим генератором и внешними поверхностями конденсационного горшка. Также, поскольку тепло течет в тепловую трубу 550 со всей площади поверхности теплосборной полости 564 и передается теплом испарения со всей внутренней поверхности теплосборной полости, тепловой поток, передаваемый тепловой трубой 550, может быть чрезвычайно большим.

Фиг. 7A-7E представляют собой изображения еще одного варианта осуществления настоящего изобретения для подачи питания беспроводному устройству в ячеистой сети беспроводных полевых устройств, с термоэлектрическим генератором, включенным в технологический компонент, где технологический компонент является трубкой Вентури, а беспроводное устройство является беспроводным полевым устройством для измерения потока. Как и в случае вариантов осуществления с фланцем измерительной диафрагмы и конденсационным горшком, описанных выше, этот вариант осуществления замещает часть технологического трубопровода, через которую протекает технологическая текучая среда (или побочный продукт технологической текучей среды), а не крепится к внешнему отверстию в технологическом сосуде. Трубка Вентури содержит сужающиеся и расширяющиеся конические части, ведущие, соответственно, в цилиндрическую часть и из нее. Цилинлрическая часть ограничивает поток текучей среды, приводя к более низкому давлению в цилиндрической части по сравнению с давлением во входной части. Трубки Вентури, такие, как, например, Daniel Venturi Tube, содержат два отвода давления, один на входной части и один на цилиндрической части для передачи давления текучей среды в трубке Вентури на датчик DP через импульсные линии. Перепад давлений относится к скорости потока через трубку Вентури, путем применения уравнения Бернулли. Увеличение скорости потока создает большую разность между двумя давлениями. Два давления передаются через отводы давления и импульсные линии на датчик DP, который прямо измеряет разность между двумя давлениями.
Вариант осуществления, представленный на фиг. 7A и 7B, показывает технологический компонент, включающий настоящее изобретение, где технологический компонент является трубкой Вентури. На фиг. 7A представлена точка 610 технологического измерения или контроля, содержащая беспроводное полевое устройство 612 для измерения потока, трубку 614 Вентури и технологический трубопровод 620, содержащий технологическую текучую среду F. Теплоотвод обеспечивается окружающей текучей средой А. Беспроводное полевое устройство 612 для измерения потока содержит кожух 622 электроники, электронную схему 623, антенну 624, датчик 630 падения давления (DP), импульсную линию 632 на стороне нагнетания (восходящую)и импульсную линию 634 на стороне всасывания (нисходящую), как описано выше со ссылкой на фиг. 5A, с номерами ссылок, увеличенными на 200. Фиг. 7B представляет собой изображение трубки 614 Вентури, представленной на фиг. 7A, повернутое на 90 градусов вокруг оси потока. Трубка 614 Вентури представляет собой встроенный технологический компонент, содержащий отвод 633 давления на стороне нагнетания, отвод 635 давления на стороне всасывания, узел 626 термоэлектрического генератора (представлен на фиг. 7C и 7E), устройство 627 теплопередачи, изоляцию 628 и тепловую трубу 650 (представлена на фиг. 7C-7E). Узел 626 термоэлектрического генератора содержит шнур 658 питания. Как показано, устройство 627 теплопередачи является игольчатым теплообменником.
Рассматривая фиг. 7A и 7B вместе, трубка 614 Вентури крепится к технологическому трубопроводу 620 на фланцах W, например, сваркой или болтами. Узел 626 термоэлектрического генератора встраивается в трубку 614 Вентури и находится в термическом контакте с технологической текучей средой F и окружающей текучей средой А. Изоляция 628 располагается, чтобы термически экранировать устройство 627 теплопередачи в термическом контакте с текучей средой А от частей трубки 614 Вентури в термическом контакте с технологической текучей средой F. Импульсная линия 632 соединяется с трубкой 614 Вентури на отводе 633 давления, например, резьбовым соединением. Аналогично, импульсная линия 634 соединяется с отводом 635 давления. Импульсная линия 632 и импульсная линия 634 соединяют отвод 633 давления и отвод 635 давления, соответственно, с датчиком 630 DP, физически соединяя беспроводное полевое устройство 612 для измерения потока с трубкой 614 Вентури. Соединения в кожухе 622 электроники такие же, как описаны выше со ссылкой на фиг. 5A, с номерами ссылок, увеличенными на 200.
Фиг. 7C представляет собой продольное сечение трубки 614 Вентури, показывающее узел 626 термоэлектрического генератора, изоляцию 628 и тепловую трубу 650. Узел 626 термоэлектрического генератора также содержит термоэлектрический элемент 652 и распределитель 654 тепла. Термоэлектрический элемент 652 и распределитель 654 тепла такие, как описаны со ссылкой на фиг. 4A, с номерами ссылок, отличающимися на 300. Тепловая труба 650 содержит заправочное отверстие 660, пробку 662, теплосборную полость 664, трубу 666 теплопередачи и полость 668 рассеивания тепла. Теплосборная полость 664 представляет собой ту часть тепловой трубы 650, встроенной в часть трубки 614 Вентури, которая находится в прямом контакте с технологической текучей средой F. Полость 668 рассеивания тепла представляет собой ту часть тепловой трубы 650, которая находится в прямом контакте с узлом 626 термоэлектрического генератора. Труба 666 теплопередачи представляет собой ту часть тепловой трубы 650, которая соединяет теплосборную полость 664 с полостью 668 рассеивания тепла. Тепловая труба 650 также содержит капиллярное устройство (не показано) и рабочую текучую среду, представленную как в жидкой, так и в парообразной фазах (не показана); и капиллярное устройство, и рабочая текучая среда такие же, как описаны выше со ссылкой на фиг. 2D-2F.
По меньшей мере, некоторая энергия для измерения потока и передачи данных обеспечивается работой узла 626 термоэлектрического генератора с тепловым потоком, эффективно подаваемым тепловой трубой 650. Теплосборная полость 664 собирает тепло из технологической текучей среды F. Труба 666 теплопередачи передает тепло из теплосборной полости 664 в полость 668 рассеивания тепла. В полости 668 рассеивания тепла тепло передается в распределитель 654 тепла, который выравнивает тепловой поток, когда поток тепла проводится через распределитель 654 тепла на термоэлектрический элемент 652. Когда тепло течет через термоэлектрический элемент 652, напряжение и ток генерируются как функция количества тепла, текущего через термоэлектрический элемент 652. Энергия, производимая термоэлектрическим элементом 652, проводится шнуром 658 питания на электронную схему 623 в кожухе 622 электроники на схему 644 регулирования мощности.
Как представлено на фиг. 7C, теплосборная полость 664 проходит вдоль большей части цилиндрической части трубки 614 Вентури, которая прямо контактирует с технологической текучей средой F. Фиг. 7D представляет собой поперечное сечение трубки 614 Вентури, показывающее цилиндрическую форму теплосборной полости 664. Эта форма окружает поток технологической текучей среды F и предоставляет большую площадь поверхности для передачи тепла от технологической текучей среды F к тепловой трубе 650.
Фиг. 7Е представляет собой еще одно поперечное сечение трубки 614 Вентури. В дополнение к идентично пронумерованным элементам, представленным на фиг. 7C, фиг. 7E показывает отвод 635 давления на стороне всасывания. Устройство 627 теплопередачи проходит существенно за термоэлектрический элемент 652, чтобы обеспечивать большое соотношение площади поверхности к объему, чтобы улучшать передачу тепла в окружающую текучую среду А. Изоляция 628 располагается в промежутке между устройством 627 теплопередачи и внешней поверхностью трубки 614 Вентури, проходя далеко за края устройства 627 теплопередачи, чтобы гарантировать хорошую термоизоляцию между устройством 627 теплопередачи и внешней поверхностью трубки 614 Вентури. Как представлено на фиг. 7E, тепловая труба 650 полностью отделена от отвода 635 давления на стороне всасывания и не препятствует его работе.
Вариант осуществления настоящего изобретения, представленный на фиг. 7A-7E, значительно усиливает тепловой поток, доступный для преобразования термоэлектрическим генератором, путем встраивания тепловой трубы в трубку Вентури в прямом контакте с технологической текучей средой. Путем прямого прохождения через стенку сосуда устраняется проблема термального сопротивления через стенку сосуда, как и необходимость обеспечивать хорошее термическое соединение между термоэлектрическим генератором и стенкой сосуда. Также, поскольку тепло течет в тепловую трубу 650 со всей площади поверхности теплосборной полости 664 и передается теплом испарения со всей внутренней поверхности теплосборной полости, тепловой поток, перемещаемый тепловой трубой 650, является чрезвычайно большим. Хотя вариант осуществления, представленный на фиг. 7A-7E, является трубкой Вентури, понятно, что можно применять также и другие системы расходомеров, например, магнитный расходомер или вихревую трубку.
Фиг. 8A-8F представляют собой изображения еще одного варианта осуществления настоящего изобретения для подачи питания беспроводному устройству в ячеистой сети беспроводных полевых устройств, с термоэлектрическим генератором, встроенным в технологический компонент, где технологический компонент является центробежным насосом, а беспроводное устройство является беспроводным маршрутизатором данных. Как и в случае нескольких предыдущих вариантов осуществления, описанных выше, этот вариант осуществления замещает часть технологического трубопровода, через которую протекает технологическая текучая среда (или побочный продукт технологической текучей среды), а не крепится к внешней поверхности технологического сосуда (накладывается). Насос крепится последовательно с технологическим трубопроводом, несущим технологическую текучую среду, чтобы увеличивать скорость текучей среды или чтобы увеличивать давление технологической текучей среды путем добавления кинетической энергии технологической текучей среде. Кинетическая энергия подается, например, центробежным насосом, посредством вращающегося лопастного колеса, которое использует центростремительную силу, чтобы ускорять технологическую текучую среду в радиальном направлении.
Вариант осуществления, представленный на фиг. 8A-8C, показывает технологический компонент, содержащий настоящее изобретение, где технологический компонент является насосом. На фиг. 8A представлена точка 710 технологического измерения или контроля, содержащая беспроводной маршрутизатор 712 данных, насос 714 и технологический трубопровод 720, содержащий технологическую текучую среду F. Теплоотвод обеспечивается окружающей текучей средой А. Беспроводной маршрутизатор 712 данных содержит кожух 722 электроники, электронную схему 723 и антенну 724 и является таким, как описан выше со ссылкой на фиг. 6B, с номерами ссылок, увеличенными на 200. Насос 714 представляет собой встроенный технологический компонент, содержащий узел 726 термоэлектрического генератора, устройство 727 теплопередачи и изоляцию 728. Как показано, устройство 727 теплопередачи является игольчатым теплообменником.
Фиг. 8B представляет собой поперечное сечение насоса 714, показывающее, что насос 714 также содержит тепловую трубу 750, лопастное колесо 780, мотор 782, вал 784 и подшипник/уплотнение 786. Внутренние компоненты мотора 782 для простоты опускаются. Фиг. 8B представляет изображение насоса 714, повернутое на 90 градусов вокруг оси вала 784. Фиг. 8C представляет собой изображение части фиг. 8B, увеличенной, чтобы лучше представить детали узла 726 термоэлектрического генератора, изоляции 728 и части тепловой трубы 750. Фиг. 8C представляет расширенную часть насоса 714, прикрепленную к основной части насоса 714, например, резьбовым соединением (как показано) или сварным соединением. Узел 726 термоэлектрического генератора содержит термоэлектрический элемент 752, распределитель 754 тепла и шнур 758 питания и является таким, как описан выше со ссылкой на фиг. 4A, с номерами ссылок, увеличенными на 400. Тепловая труба 750 содержит заправочное отверстие 760, пробку 762, теплосборную полость 764, трубу 766 теплопередачи и полость 768 рассеивания тепла. Теплосборная полость 764 представляет собой ту часть тепловой трубы 750, встроенной в часть насоса 714, которая находится в прямом контакте с технологической текучей средой F. Полость 768 рассеивания тепла представляет собой ту часть тепловой трубы 750, которая находится в прямом контакте с узлом 726 термоэлектрического генератора. Труба 766 теплопередачи представляет собой ту часть тепловой трубы 750, которая соединяет теплосборную полость 764 с полостью 768 рассеивания тепла. Тепловая труба 750 также содержит капиллярное устройство 772 и рабочую текучую среду, представленную как в жидкой, так и в парообразной фазах (не показана); и капиллярное устройство, и рабочая текучая среда такие же, как описаны выше со ссылкой на фиг. 2D-2F. Лопастное колесо 780 является в целом устройством в форме усеченного конуса, с лопастями, которые ускоряют технологическую текучую среду F, когда лопастное колесо 780 поворачивается, чтобы создавать увеличенную скорость технологической текучей среды F, или более высокое давление в ней, когда она выходит из насоса 714. Мотор 782 представляет собой любой мотор, как, например, электромотор. Вал 784 представляет собой прочное, в целом цилиндрической формы, устройство для соединения мотора 782 с лопастным колесом 780, чтобы вращать лопастное колесо 780. Подшипник/уплотнение 786 представляет собой устройство, которое позволяет прохождение и вращение вала 784, одновременно в значительной мере предотвращая протекание технологической текучей среды F мимо вала 784.
Рассматривая фиг. 8A, 8B, и 8C вместе, насос 714 крепится к технологическому трубопроводу 720 на фланцах W, например, сваркой или болтовым соединением. Узел 726 термоэлектрического генератора встраивается в насос 714 и находится в термическом контакте с технологической текучей средой F и окружающей текучей средой А. Соединения в кожухе 722 электроники такие же, как описаны выше со ссылкой на фиг. 6B, с номерами ссылок, увеличенными на 200. Тепловая труба 750 проходит из теплосборной полости 764 в полость 768 рассеивания тепла, причем труба 766 теплопередачи соединяет теплосборную полость 764 с полостью 768 рассеивания тепла. Полость 768 рассеивания тепла тепловой трубы 750 соединяется с узлом 726 термоэлектрического генератора на распределителе 754 тепла. Распределитель 754 тепла тесно прикреплен к одной стороне термоэлектрического элемента 752, а устройство 727 теплопередачи тесно прикреплено к другой стороне термоэлектрического элемента 752, противоположной распределителю 754 тепла.
В работе мотор 782 вращает лопастное колесо 780 посредством вала 784, затягивая технологическую текучую среду F в насос 714 и ускоряя технологическую текучую среду F, чтобы создавать увеличенную скорость технологической текучей среды F, или более высокое давление в ней, когда она выходит из насоса 714. Беспроводной маршрутизатор 712 данных работает так, как описано выше со ссылкой на фиг.6B, с номерами ссылок, увеличенными на 200.
По меньшей мере часть энергии для работы беспроводного маршрутизатора 712 данных подается в варианте осуществления настоящего изобретения работой узла 726 термоэлектрического генератора, причем поток тепла эффективно подается тепловой трубой 750, как описано выше со ссылкой на фиг. 4A, с номерами ссылок, увеличенными на 400.
Как представлено на фиг. 8B, теплосборная полость 764 ограничивает внутреннюю часть насоса 714, собирающую тепло из технологической текучей среды F, когда она прокачивается через насос 714 лопастным колесом 780. Фиг. 8D-8F представляют собой изображения в осевом сечении насоса 714, также показывающие форму теплосборной полости 764. Взятые вместе, фиг. 8B и 8D-8F показывают, что теплосборная полость 764 окружает внутреннюю часть насоса 714, кроме отверстий, необходимых для входа (фиг. 8B и 8F), выхода (фиг. 8E) и уплотнения/подшипника 786 (фиг. 8B и 8D). Путем окружения внутренней части насоса 714, предоставляется большая площадь поверхности для передачи тепла от технологической текучей среды F к тепловой трубе 750.
Вариант осуществления настоящего изобретения, представленный на фиг. 8A-8F, значительно усиливает тепловой поток, доступный для преобразования термоэлектрическим генератором, путем встраивания тепловой трубы в насос в прямом контакте с технологической текучей средой. Путем прямого прохождения через стенку насоса устраняется проблема термального сопротивления через стенку насоса, как и необходимость обеспечивать хорошее термическое соединение между термоэлектрическим генератором и внешними поверхностями насоса. Также, поскольку тепло течет в тепловую трубу 750 со всей площади поверхности теплосборной полости 764 и передается теплом испарения со всей внутренней поверхности теплосборной полости, тепловой поток, перемещаемый тепловой трубой 750, является чрезвычайно большим. Хотя вариант осуществления, представленный на фиг. 8A-8F, описан как центробежный насос, понятно, что можно применять любой тип насоса.

Фиг. 9A-9C представляют собой изображения еще одного варианта осуществления настоящего изобретения для подачи питания беспроводному устройству в ячеистой сети беспроводных полевых устройств, с термоэлектрическим генератором, встроенным в технологический компонент, где технологический компонент является измерительной диафрагмой, а беспроводное устройство является беспроводным полевым устройством для измерения потока. Как и некоторые варианты осуществления, описанные выше, этот вариант осуществления замещает часть технологического трубопровода, через которую протекает технологическая текучая среда (или побочный продукт технологической текучей среды), а не крепится к внешнему отверстию в технологическом сосуде. Измерительные диафрагмы, такие как, например, Rosemount 1495 Orifice Plate, расположенные между двумя фланцами измерительной диафрагмы, вызывают падение давления на измерительной диафрагме, когда текучая среда должна протекать через диафрагму, приводя к тому, что на датчик DP передаются два разных давления текучей среды, как описано выше со ссылкой на фиг. 5A-5F.

Фиг. 9A-9C представляют собой изображения технологического компонента, содержащего настоящее изобретение, где технологический компонент представляет собой измерительную диафрагму. На фиг. 9A представлена точка 810 технологического измерения или контроля, содержащая беспроводное полевое устройство 812 для измерения потока, фланец 814 измерительной диафрагмы, измерительную диафрагму 815, фланец 816 измерительной диафрагмы, шпильки/гайки 818 и технологический трубопровод 820, содержащий технологическую текучую среду F. Теплоотвод обеспечивается окружающей текучей средой А. Беспроводное полевое устройство 812 для измерения потока содержит кожух 822 электроники, электронную схему 823, антенну 824, РЧ кабель 825, датчик 830 разности давления (DP), импульсную линию 832 на стороне нагнетания (восходящую) и импульсную линию 834 на стороне всасывания (нисходящую). Датчик 830 DP, импульсные линии 832 и 834 и электронная схема 823 такие, как описаны со ссылкой на фиг. 5A, с номерами ссылок, увеличенными на 400. Фланцы 814 и 816 измерительной диафрагмы такие, как можно найти, например, в Rosemount 1496 Flange Union, включают, соответственно, отвод 833 давления на стороне нагнетания и отвод 835 давления на стороне всасывания. Измерительная диафрагма 815 представляет собой встроенный технологический компонент, содержащий узел 826 термоэлектрического генератора (представлен на фиг. 9B-9C), устройство 827 теплопередачи, изоляцию 828 и тепловую трубу 850 (представлена на фиг. 9B-9C). Вместе фланец 814 измерительной диафрагмы, измерительная диафрагма 815, фланец 816 измерительной диафрагмы, шпильки/гайки 818 и две уплотнительных прокладки 821 (показаны на фиг. 9B) составляют фланцевое соединение измерительной диафрагмы. Узел 826 термоэлектрического генератора содержит шнур 858 питания. Как показано, устройство 827 теплопередачи является игольчатым теплообменником.
Фланцы 814 и 816 измерительной диафрагмы крепятся к технологическому трубопроводу 820 в точках W, например, сваркой. Измерительная диафрагма 815 вставляется между фланцем 814 измерительной диафрагмы и фланцем 816 измерительной диафрагмы с уплотнительной прокладкой 821 между измерительной диафрагмой 815 и фланцем 814 измерительной диафрагмы и другой уплотнительной прокладкой 821 между измерительной диафрагмой 815 и фланцем 816 измерительной диафрагмы. Фланец 814 измерительной диафрагмы, измерительная диафрагма 815, фланец 816 измерительной диафрагмы и две прокладки скрепляются вместе множеством шпилек/гаек 818. Узел 826 термоэлектрического генератора встраивается в измерительную диафрагму 815 и находится в термическом контакте с технологической текучей средой F и окружающей текучей средой А. Изоляция 828 располагается, чтобы термически экранировать устройство 827 теплопередачи в термическом контакте с текучей средой А от частей измерительной диафрагмы 815 в термическом контакте с технологической текучей средой F. Антенна 824 располагается на удалении от кожуха 822 электроники и соединена с электронной схемой 823 РЧ кабелем 825. Все другие соединения такие же, как описаны выше со ссылкой на фиг. 5А, с номерами ссылок, увеличенными на 400. Работа также такая, как описана выше со ссылкой на фиг. 5A.
По меньшей мере часть энергии для измерения потока и передачи данных, описанных выше, подается на беспроводное полевое устройство 812 для измерения потока, в варианте осуществления настоящего изобретения, работой узла 826 термоэлектрического генератора, причем поток тепла эффективно подается тепловой трубой 850, как представлено подробно на фиг. 9B-9C. Поток тепла, движимый разностью температур между технологической текучей средой F и окружающей текучей средой A, перемещается тепловой трубой 850 в измерительной диафрагме 815. Поток тепла проводится через узел 826 термоэлектрического генератора путем рассеивания тепла в окружающую текучую среду А устройством 827 теплопередачи, генерируя электроэнергию.
Фиг. 9B и 9C представляют собой изображения в продольном и осевом сечениях, соответственно, измерительной диафрагмы 815, показывающие узел 826 термоэлектрического генератора, изоляцию 828 и тепловую трубу 850. Рассматривая фиг. 9B и 9C вместе, узел 826 термоэлектрического генератора содержит термоэлектрический элемент 852, распределитель 854 тепла и шнур 858 питания. Термоэлектрический элемент 852 и распределитель 854 тепла такие, как описаны со ссылкой на фиг. 4A, с номерами ссылок, увеличенными на 500. Тепловая труба 850 содержит заправочное отверстие 860, пробку 862, теплосборную полость 864, трубу 866 теплопередачи и полость 868 рассеивания тепла. Теплосборная полость 864 представляет собой ту часть тепловой трубы 850, встроенной в часть измерительной диафрагмы 815, которая находится в прямом контакте с технологической текучей средой F. Полость 868 рассеивания тепла представляет собой ту часть тепловой трубы 850, которая находится в прямом контакте с узлом 826 термоэлектрического генератора. Труба 866 теплопередачи представляет собой ту часть тепловой трубы 850, которая соединяет теплосборную полость 864 с полостью 868 рассеивания тепла. Тепловая труба 850 также содержит капиллярное устройство (не показано) и рабочую текучую среду, представленную как в жидкой, так и в парообразной фазах (не показана); и капиллярное устройство, и рабочая текучая среда такие же, как описаны выше со ссылкой на фиг. 2D-2F.
Тепловая труба 850 проходит из теплосборной полости 864 в полость 868 рассеивания тепла, причем труба 866 теплопередачи соединяет теплосборную полость 864 с полостью 868 рассеивания тепла. Полость 868 рассеивания тепла тепловой трубы 850 соединяется с узлом 826 термоэлектрического генератора на распределителе 854 тепла. Распределитель 854 тепла тесно прикреплен к одной стороне термоэлектрического элемента 852, а устройство 827 теплопередачи тесно прикреплено к другой стороне термоэлектрического элемента 852, противоположной распределителю 854 тепла. Шнур 858 питания соединяет термоэлектрический элемент 852 с электронной схемой 823 в кожухе 822 электроники на схеме 844 регулирования мощности (представлено на фиг. 9A).
Энергия для измерения потока и передачи данных обеспечивается работой узла 826 термоэлектрического генератора, с потоком тепла, эффективно подаваемым тепловой трубой 850, как описано выше со ссылкой на фиг. 4A, с номерами ссылок, увеличенными на 500. Как представлено на фиг. 9B и 9C, теплосборная полость 864 проходит вдоль большей части измерительной диафрагмы 815, которая находится рядом с технологической текучей средой F.
Вариант осуществления настоящего изобретения, представленный на фиг. 9A-9C, значительно усиливает тепловой поток, доступный для преобразования термоэлектрическим генератором, путем встраивания тепловой трубы в измерительную диафрагму в прямом контакте с технологической текучей средой. Путем прямого прохождения через стенку сосуда устраняется проблема термального сопротивления через стенку сосуда, как и необходимость обеспечивать хорошее термическое соединение между термоэлектрическим генератором и стенкой сосуда. Также, поскольку тепло течет в тепловую трубу 850 со всей площади поверхности теплосборной полости 864 и передается теплом испарения со всей внутренней поверхности теплосборной полости, тепловой поток эффективно перемещается тепловой трубой 850. Наконец, измерительные диафрагмы проектируются так, чтобы быстро и легко заменяться. Таким образом, измерительная диафрагма, реализующая настоящее изобретение, такая, как представлена на фиг. 9A-9C, может легко заменять измерительную диафрагму, не реализующую изобретение, чтобы подавать питание на беспроводное устройство.
Все варианты осуществления, описанные выше, представлены с устройством теплопередачи, представленным как игольчатый теплообменник. Однако понятно, что устройство теплопередачи является любым устройством для эффективного обмена теплом с окружающей текучей средой А. Другим примером устройства теплопередачи является теплообменник с оребренной поверхностью теплообмена. Еще одним примером устройства теплопередачи является устройство, использующее вторую тепловую трубу в термическом контакте со стороной термоэлектрического элемента, противоположной распределителю тепла, чтобы дополнительно усиливать перенос тепла в окружающую текучую среду.
Фиг. 10 представляет собой изображение варианта осуществления настоящего изобретения, включенного в каждый из двух технологических компонентов, для подачи питания беспроводному полевому устройству для измерения потока. Этот вариант осуществления отличается от всех вариантов осуществления, описанных выше, тем, что для каждого из двух технологических компонентов теплоотвод находится в технологической текучей среде в другом технологическом компоненте. Также, для каждого из двух технологических компонентов, устройство теплопередачи является тепловой трубой другого технологического компонента. Фиг. 10 представляет собой поперечное сечение фланцев 914a и 914b измерительной диафрагмы. Каждый из фланцев 914a и 914b измерительной диафрагмы идентичен по форме и функции фланцу 414 измерительной диафрагмы, который описан со ссылкой на фиг. 5A-5F, за исключением следующих отличий. Расширенная часть каждого из фланцев 914a и 914b измерительной диафрагмы содержит фланцевое соединение 988a и 988b, соответственно. Кроме того, изоляция 928a и 928b проходит вверх по расширенной части фланцев 914a и 914b измерительной диафрагмы только до фланцевых соединений 988a и 988b, соответственно. Фланцы 914a и 914b измерительной диафрагмы делят узел 926 термоэлектрического генератора, который содержит термоэлектрический элемент 952, первый распределитель 954a тепла, второй распределитель 954b тепла и шнур 958 питания. Наконец, устройство теплопередачи для фланца 914a измерительной диафрагмы является тепловой трубой 950b фланца 914b измерительной диафрагмы; аналогично, устройство теплопередачи для фланца 914b измерительной диафрагмы является тепловой трубой 950a фланца 914a измерительной диафрагмы. Вариант осуществления, представленный на фиг. 10, также содержит стыковочную прокладку 990, зажимные прокладки 992 и зажимы 994. Стыковочная прокладка 990 и зажимные прокладки 992 представляют собой сжимаемый уплотнительный материал, который также является термоизолятором.
Фланцы 914a и 914b измерительной диафрагмы соединяются на узле 926 термоэлектрического генератора, причем тепловая труба 950a соединяется с узлом 926 термоэлектрического генератора на распределителе 954a тепла, а тепловая труба 950b соединяется с узлом 926 термоэлектрического генератора на распределителе 954b тепла. Распределитель 954a тепла находится в тесном контакте с одной стороной термоэлектрического элемента 952, а распределитель 954b тепла узла 926 термоэлектрического генератора находится в тесном контакте с другой стороной термоэлектрического элемента 952, противоположной распределителю 954a тепла. Шнур 958 питания соединяет термоэлектрический элемент 952 с беспроводным устройством любого типа, как представлено в предыдущих вариантах осуществления. Соединение между фланцами 914a и 914b измерительной диафрагмы, поддерживаемое фланцевыми соединениями 988a и 988b, удерживается зажимом 994. Зажимные прокладки 992, между зажимом 994 и фланцевыми соединениями 988a и 988b, ограничивают поток тепла вокруг термоэлектрического элемента 952 посредством зажима 994. Аналогично, стыковочная прокладка 990, между фланцевыми соединениями 988a и 988b, ограничивает поток тепла вокруг термоэлектрического элемента 952 посредством фланцевых соединений 988a и 988b.

Как представлено на фиг. 10, трубы 966a и 966b теплопередачи тепловых труб 950a и 950b, соответственно, образованы из гибкой трубки, а не жесткой конструкции. Это обеспечивает более легкое соединение фланцевого соединения 988a с фланцевым соединением 988b, чем если бы части теплопередачи каждой тепловой трубы 950a и 950b были жесткой конструкцией. Гибкая трубка предпочтительно является тонкостенной металлической трубкой, как, например, армированный рукав для герметичного соединения капиллярного типа для Rosemount1199 Diaphragm Seal System.
В работе поток тепла приводится в движение разностью температур между технологической текучей средой F1 в контакте с фланцем 914a измерительной диафрагмы и технологической текучей средой F2 в контакте с фланцем 914b измерительной диафрагмы, причем, например, температура технологической текучей среды F1 выше, чем температура технологической текучей среды F2. Поток тепла перемещается от технологической текучей среды F1 тепловой трубой 950a во фланце 914a измерительной диафрагмы к распределителю 954a тепла. Тепловой поток проводится через термоэлектрический генератор 952 в распределитель 954b тепла путем перемещения потока тепла от распределителя 954b тепла тепловой трубой 950b к технологической текучей среде F2 во фланце 914b измерительной диафрагмы. Проведение потока тепла через термоэлектрический генератор 952 генерирует электроэнергию, которая проводится по шнуру 958 питания на беспроводное устройство любого типа, как показано в предыдущих вариантах осуществления.
Вариант осуществления настоящего изобретения, представленный на фиг. 10, значительно улучшает тепловой поток, доступный для преобразования термоэлектрическим генератором, путем внедрения тепловой трубы в каждый из двух фланцев измерительной диафрагмы, причем каждый фланец измерительной диафрагмы находится в прямом контакте с технологической текучей средой при температуре, отличающейся от температуры другого фланца измерительной диафрагмы. Путем прямого прохождения через стенки сосуда устраняется проблема термального сопротивления через стенку сосуда, как и необходимость обеспечивать хорошее термическое соединение между термоэлектрическим генератором и стенками сосуда. Кроме того, вариант осуществления, представленный на фиг. 10, может производить более сильные и/или более контролируемые потоки тепла путем регулирования температур технологической текучей среды в контакте с каждым из двух фланцев измерительной диафрагмы.
Все варианты осуществления выше описаны с тепловой трубой, которая предпочтительно использует капиллярное устройство, чтобы позволять тепловой трубе работать во всех ориентациях. Капиллярное устройство позволяет перемещение более плотной жидкой фазы рабочей текучей среды из полости рассеивания тепла в теплосборную полость независимо от ориентации тепловой трубы, в том числе против силы тяжести. Понятно, что для всех вариантов осуществления капиллярное устройство может не использоваться, если при ориентации устройства полость рассеивания тепла располагается выше теплосборной полости, так что парообразная фаза рабочей текучей среды поднимается в полость рассеивания тепла, а жидкая фаза рабочей текучей среды течет вниз в теплосборную полость, парообразная фаза рабочей текучей среды является гораздо менее плотной, чем жидкая фаза рабочей текучей среды.
В некоторых вариантах осуществления выше антенна показана установленной на внешней части кожуха электроники и электрически соединенной с приемопередатчиком. В других вариантах осуществления она показана установленной удаленно и соединенной с кожухом электроники РЧ кабелем или установленной полностью в кожухе электроники, например, компоненте, установленном на печатной схеме или компоненте, интегрированном с печатной схемой. Понятно, что любой из вариантов осуществления может применять любой из этих типов интегрированных антенн по желанию.
Как показано выше со ссылкой на фиг. 10, труба теплопередачи тепловой трубы в настоящем изобретении может быть образована из гибкой трубки, а не жесткой конструкции. Хотя и показано только для варианта осуществления, представленного на фиг. 10, понятно, что во всех вариантах осуществления, труба теплопередачи тепловой трубы может быть образована, по меньшей мере частично, гибкой трубкой, а не жесткой конструкцией. Это может позволять более легкое соединение термоэлектрического узла с устройством теплопередачи для конкретного теплоотвода, такого как большая конструкция, например, земля или земляной вал. В дополнение, в случае устройства теплопередачи, которое, например, представляет собой игольчатый теплообменник, а теплоотвод представляет собой, например, окружающий воздух, конструкция гибкой трубки позволяет легкое приспособление и ориентацию игольчатого теплообменника для улучшенной естественной конвекции, приводя к улучшенной производительности устройства теплопередачи. Наконец, использование конструкции гибкой трубки для, по меньшей мере, части трубы теплопередачи тепловой трубы обеспечивает виброизоляцию между частями технологического компонента в контакте с технологической текучей средой и узлом термоэлектрического генератора. В технологических условиях с высокой вибрацией это повышает надежность узла термоэлектрического генератора.
Различные варианты осуществления подают питание беспроводному устройству в сети беспроводных полевых устройств, используя термоэлектрический генератор, встроенный в технологический компонент. Технологический компонент прямо контактирует с технологической текучей средой и содержит тепловую трубу, образованную частично теплосборной полостью внутри технологического компонента. Теплосборная полость используется только для того, чтобы образовывать часть тепловой трубы. Тепловая труба соединяется с одной стороной термоэлектрического генератора, а теплоотвод соединяется с другой стороной термоэлектрического генератора, перемещая тепло через термоэлектрический генератор, чтобы генерировать электроэнергию для беспроводного устройства. Встраивание тепловой трубы в технологический компонент в непосредственном контакте с технологической текучей средой устраняет термические сопротивления путем прямого прохождения стенки сосуда. Путем прямого прохождения стенки сосуда потери, связанные с термическим сопротивлением через стенку сосуда, устраняются, как и необходимость обеспечивать хорошее термическое соединение между термоэлектрическим генератором и внешней стенкой сосуда. Кроме того, поскольку тепло течет в тепловую трубу со всей площади поверхности теплосборной полости и перемещается теплом испарения со всей внутренней поверхности теплосборной полости, тепловой поток, перемещаемый тепловой трубой, является чрезвычайно сильным. Наконец, поскольку технологический компонент, включающий настоящее изобретение, может быть собран на заводе в точно контролируемых условиях, последовательная, надежная работа является более вероятной, чем в случае термоэлектрического генератора, устанавливаемого на сосуд на месте.
Хотя изобретение было описано со ссылкой на примерный(е) вариант(ы) осуществления, специалистам в данной области техники будет ясно, что могут вноситься разнообразные изменения, и эквиваленты могут заменять их элементы без отхода от объема изобретения. Кроме того, многие модификации могут осуществляться, чтобы приспособить конкретную ситуацию или материал к указаниям изобретения, не отходя от его существенного объема. Следовательно, предполагается, что изобретение не должно ограничиваться конкретным раскрытым вариантом (вариантами) осуществления изобретения, но изобретение включает все варианты осуществления изобретения, попадающие в объем прилагаемой формулы изобретения.