Термоэлектрическое оребрение для трубопровода
THERMOELECTRIC FINNING FOR PIPELINE

Предлагаемое изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может быть использовано для получения электрической энергии в процессе транспортирования в трубах различных теплоносителей (газов, жидкостей) путем непосредственной трансформации части их тепловой энергии в электрическую.
Известен источник ЭДС в устройстве для термоэлектрической защиты трубопровода от коррозии, представляющий собой два полукольца (полукожуха), оребренных продольными ребрами и снабженных продольными фланцами с крепежными отверстиями, выполненными из гидростойкого диэлектрического с высокой теплопроводностью материала, покрывающих часть защищаемого трубопровода, причем внутри продольных ребер по всей их длине помещены зигзагообразные ряды теплоэлектрических секций, состоящие, из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, состоящих из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены и плотно прижаты друг к другу и расположены в зоне нагрева и охлаждения, вблизи кромки продольных ребер и поверхности участка трубопровода параллельно их поверхности, при этом свободные концы теплоэлектрических секций каждого ребра с одной стороны соединены через токовыводы с одноименными зарядами с регулирующим блоком, с противоположной – через коллекторы, токовыводы с одноименными противоположными зарядами и кабель с анодным заземлителем [Патент №2550073, МПК С23 F13/00, 2015].
Недостатками известного устройства являются невозможность замены вышедших из строя термоэмиссионных преобразователей или термоэлектрических секций на действующем трубопроводе, без разрушения покрытия из диэлектрического материала, значительные потери вырабатываемого электричества из–за большого электрического сопротивления, соединенных последовательно термоэлектрических секций, что снижает его надежность и эффективность.
Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является термоэлектрический кожух для трубопровода, содержащий два полуцилиндрических кожуха с продольными щелями, снабженных торцевыми кольцами, продольными фланцами с крепежными отверстиями, выполненными из гидростойкого материала, закрывающих участок трубопровода, с созданием между внутренней поверхностью полуцилиндров и наружной поверхностью трубопровода зазора шириной ∆, причем в продольные щели полуцилиндрических кожухов вставлены продольные ребра, выполненные из гидростойкого диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, внутри которых по всей их длине помещены зигзагообразные ряды, состоящие из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, состоящих из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены и плотно прижаты друг к другу и расположены вблизи кромки ребер, прижатых в зоне нагрева к поверхности трубопровода и в зоне охлаждения в окружающей среде (воде, грунте и т. д.), соответственно, свободные концы зигзагообразных рядов каждой пары ребер с одного торца в зоне охлаждения соединены перемычками, покрытыми слоем гидростойкого диэлектрического материала, а с противоположного  торца свободные концы зигзагообразных рядов этих же пар в ребрах соединены между собой в зоне охлаждения через конденсаторы, покрытыми слоем гидростойкого диэлектрического материала, образуя теплоэлектрические секции, причем конденсаторы  каждого полуцилиндрического кожуха через перемычки последовательно соединены между собой, образуя теплоэлектрические блоки, а крайние конденсаторы каждого теплоэлектрического блока снабжены токовыводами с одноименными зарядами.
Основными недостатками известного устройства являются громоздкая конструкция полуцилиндрических кожухов, усложняющая его монтаж на действующем трубопроводе, зигзагообразная компоновка  термоэмиссионных преобразователей, снижающая их количество в одном ряду, а также помещение рядов термоэмиссионных преобразователей в ребра, выполненные из гидростойкого  диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, создающего в тое время дополнительное термическое сопротивление, что, в конечном счете, снижает его надежность и эффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности термоэлектрического оребрения для трубопровода.
Технический результат достигается термоэлектрическим оребрением для трубопровода, содержащим участок трубопровода, на котором расположены по всей его длине продольные ребра, состоящие из размещенных по очередности параллельно друг к другу и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых состоит из пары параллельных отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены, плотно прижаты друг к другу и соединены между собой (сваркой или спайкой), образуя верхние и нижние спаи, которые по всей длине ребра закрыты сбоку полосками, выполненными из слюды и металла, соответственно, образуя верхние и нижние кромки ребер, пустые полости между полосками заполнены связующим термостойким диэлектрическим материалом, свободные концы термоэмиссионных элементов каждой пары ребер с одного торца в зоне охлаждения соединены перемычками, с противоположного торца свободные концы ребер термоэмиссионных элементов этих же пар соединены между собой в зоне охлаждения через конденсаторы, образуя теплоэлектрические секции, которые также соединены между собой конденсаторами, при этом наружная поверхность всех составляющих элементов ребер покрыта слоем гидростойкого диэлектрического материала, нижние кромки ребер термоэлектрических секций прижаты в зоне нагрева к поверхности трубопровода, верхние кромки ребер теплоэлектрических секций расположены в зоне охлаждения в окружающей среде, соответственно, крайние конденсаторы крайних теплоэлектрических секций снабжены токовыводами с одноименными зарядами, причем на границах участка трубопровода расположены два хомута, изготовленные с продольными пазами, равномерно распределенными по окружности хомутов, в которые вставлены левые и правые торцы нижних кромок ребер и закрытые прижимными планками с отверстиями, через которые пропущены прижимные болты.
На фиг. 1–4 представлены общий вид и разрезы термоэлектрического оребрения для трубопровода (ТЭОТ), на фиг. 5–9 –узел и разрезы теплоэлектрической секции (ТЭС) и термоэмиссионных преобразователей (ТЭП).
Предлагаемое термоэлектрическое оребрение для трубопровода (ТЭОТ) включает участок трубопровода 1, на котором расположены по всей его длине продольные ребра 2, состоящие из размещенных по очередности параллельно друг к другу и соединенных между собой  термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 3, каждый  из которых состоит из пары параллельных отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены, плотно прижаты друг к другу и соединены между собой (сваркой или спайкой), образуя верхние и нижние спаи 4 и 5, которые по всей длине ребра 2 закрыты сбоку полосками 6 и 7, выполненными из слюды и металла (например, алюминия), соответственно, образуя верхние и нижние кромки ребер 2, пустые полости между полосками 6 заполнены связующим термостойким диэлектрическим материалом (например, термостойким герметиком), свободные концы ТЭП 3 каждой пары ребер 2 с одного торца в зоне охлаждения соединены перемычками 8, с противоположного торца свободные концы ТЭП 3 ребер 2 этих же пар соединены между собой в зоне охлаждения через конденсаторы 9, образуя теплоэлектрические секции (ТЭС) 10, которые также соединены между собой конденсаторами 9, при этом наружная поверхность всех составляющих элементов ребер 2 покрыта слоем гидростойкого диэлектрического материала, нижние кромки ребер 2 ТЭС 10 прижаты в зоне нагрева к поверхности трубопровода 1, верхние кромки ребер 2 ТЭС 10 расположены в зоне охлаждения в окружающей среде (воде, грунте и т.д.), соответственно, крайние конденсаторы 9 крайних ТЭС 10 снабжены токовыводами с одноименными зарядами 11 и 12, на границах участка трубопровода 1 расположены два хомута 13, изготовленные с продольными пазами 14, равномерно распределенными по окружности хомутов 13, в которые вставлены левые и правые торцы нижних кромок ребер 2 и закрытые прижимными планками 15 с отверстиями 16, через которые пропущены прижимные болты 17.
Предлагаемое ТЭОТ, представленное на фиг. 1–9, работает следующим образом.
ТЭОТ устанавливается в процессе монтажа или реконструкции трубопровода, для чего два хомута 13 с продольными пазами 14 накладываются на участок трубопровода 1 и крепятся к нему посредством стяжки своих торцов. После монтажа хомутов 13 в продольные пазы 14 вставляются торцы нижних кромок продольных ребер 2, прижимают их к наружной поверхностью участка трубопровода 1 путем сжатия прижимных планок 16 прижимными болтами 18, торцы верхних кромок соединяют перемычками 8 и конденсаторами 9, после чего токовыводы 11, 12 соединяют с регулирующим блоком и потребителем (на фиг.1–9 не показаны).
П
С
П
С
После заполнения трубопровода и начала движения в нем потока газа (жидкости) с температурой t ниже, чем температура грунта (воздуха, воды) t, который соприкасается с поверхностью ребер 2, выполненных из гидростойкого диэлектрического с высокой теплопроводностью материала, в результате разности температур t – t происходит теплообмен между холодным газом (жидкостью), движущимся по участку трубы 1, и окружающим грунтом (водой, воздухом), нагреваются и охлаждаются зоны нагрева и охлаждения продольных ребер 2, состоящие из верхних и нижних спаев 4 и 5, выполненных из металлов М1 и М2, зажатых по всей длине ребра 2 сбоку полосками 6 и 7, выполненных из слюды и металла. Конструкция верхних и нижних кромок ТЭС 10, выполненная из сплошных полос материалов с высокой теплопроводностью позволяет увеличить количество переходящего тепла за счет повышенной площади их контакта с зонами нагрева и охлаждения и высокой площади контакта слоев самих металлов М1 и М2, соединенных между собой (например, спайкой или сваркой). В результате теплообменных процессов создается разность температур между спаянными двухслойными расплющенными, плотно прижатыми друг к другу, соединенными между собой концами ТЭП 3, выполненными из металлов М1 и М2, расположенными в кромках ребер 2, и противоположными им спаянными концами этих же отрезков металлов М1 и М2, расположенных в  ребрах 2. Создаваемая разность температур между зонами нагрева и охлаждения вызывает эмиссию электронов во всех ТЭП 3 и, соответственно, возникновение в зигзагообразных рядах ТЭС 10 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506]. Полученное термоэлектричество  каждой пары ребер 2, соединенных попарно между собой перемычками 8, образующих ТЭС 10, направляется в конденсаторы 9, соединенные с холодными свободными концами двух конечных ТЭП 3 каждой ТЭС 10, которые аккумулируют его. При этом каждый конденсатор 9 обслуживает свою ТЭС 10, а так как конденсаторы каждой ТЭС 10 соединены между собой последовательно, то термоэлектричество предыдущих ТЭС 10 не проходит через последующие ТЭС 10, а движется только через последовательно соединенные конденсаторы 9, что существенно снижает потери мощности на преодоление сопротивлений электричеству при прохождении по многочисленным ТЭП 3. Эффективная работа конденсаторов 9 обеспечивается также тем, что они постоянно охлаждаются в зоне охлаждения наружной средой. Полученное термоэлектричество через токовыводы 11, 12  поступает в блок регулирования, где создаются требуемое напряжение и сила тока, и подается потребителю (на фиг. 1–9 не показаны).
П
С
Величина разности электрического потенциала и силы тока на токовыводах 11, 12 зависит от разности температур на спаях металлов М1 и М2, их характеристик, количества ТЭП 3 в ТЭС 10 и их числа. При необходимости устанавливают несколько ТЭОТ. Требуемые напряжение U и силу тока I  в зависимости от расхода газа (жидкости) и величины разности температур (t– t) регулируют в блоке регулирования. Полученное электричество можно использовать, например, для защиты трубопровода от электрохимической коррозии или электропривода задвижек.
Таким образом, конструкция предлагаемого ТЭОТ обеспечивает возможность замены вышедших из строя термоэмиссионных преобразователей или теплоэлектрических секций на действующем трубопроводе, без разрушения смежных термоэлектрических секций и снизить электрическое сопротивление установки, что повышает ее надежность и эффективность.