ОСУШИТЕЛЬ КОМПРИМИРОВАННОГО ГАЗА НА ОСНОВЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЛЬТЬЕ

Полезная модель относится к устройствам для осушения газов, в частности компримированного воздуха и природного газа, формируемых и транспортируемых под избыточным давлением, и может быть использована при эксплуатации пневматического оборудования, машин и механизмов различного назначения, в системах пневмоавтоматики, в газовой, химической, топливно-энергетической промышленности, а также в транспортных системах и электронном приборостроении.
Из уровня техники известно устройство для осушки газов, транспортируемых под избыточным давлением, термоэлектрический осушитель Груздева, описанный в патенте РФ №39282, состоящий из устройства для охлаждения газа и конденсации влаги и камеры осушения с устройствами для подвода газа и отвода осушенного газа и конденсата, устройство для охлаждения газа и конденсации влаги содержит заключенные в корпус термоэлектрический охладитель, составленный из элементов Пельтье, и радиатор, причем термоэлектрический охладитель поверхностями холодных спаев элементов Пельтье установлен с тепловым контактом на наружной поверхности камеры осушения, радиатор размещен на наружной поверхности термоэлектрического охладителя с тепловым контактом на поверхностях горячих спаев элементов Пельтье и образует с корпусом каналы, сообщенные с устройством для подвода и отвода охлаждающей среды, а устройство для отвода осушенного газа снабжено влагомером.
Недостатком указанного устройства является невозможность использования продуктового газа сразу после осушки (возможно выпадение конденсата), связанная со 100% относительной влажностью выходящего продуктового газа, отсутствие устройства отделения конденсата от осушаемого газа, подача охлаждающей среды связана с дополнительными энергозатратами.
Из уровня техники известно устройство для кондиционирования воздуха в помещениях, содержащее жидкостно-воздушный теплообменник, снабженный элементами Пельтье, описанный в патенте РФ №2589642, состоящий из жидкостно-воздушного теплообменника для теплообмена между жидкостью и воздухом, имеющего первый проточный канал для воздуха и второй проточный канал для жидкости, причем второй проточный канал соединяет подвод и отвод, которые могут подключаться к внешнему циркуляционному контуру, в котором циркулирует жидкость, вентилятор для нагнетания воздуха через первый проточный канал, и устройство управления, теплообменник содержащий первую ступень, в которой первый проточный канал и второй проточный канал разделены термически пассивной перегородкой, и следующую, вторую ступень, в которой первый проточный канал и второй проточный канал разделены термически активной перегородкой, при этом термически активная перегородка состоит по меньшей мере из одного первого элемента Пельтье или содержит по меньшей мере один элемент Пельтье, и устройства управления, обеспечивающего возможность создания текущего через указанный по меньшей мере один первый элемент Пельтье электрического тока и управления им так, чтобы тепло нагнеталось от жидкости к воздуху, когда воздух должен нагреваться, и тепло передавалось от воздуха к жидкости, когда воздух должен охлаждаться, при этом жидкость не изменяет агрегатное состояние.
Недостатком указанного устройства является невозможность использования устройства в промышленной осушке компримированных газов.
Из уровня техники известна установка для осушки сжатого воздуха, описанная в патенте РФ №2236892, содержащая два установленных рядом адсорбера, в которых расположены электронагреватели, связанные с датчиками температуры, снаружи адсорберы имеют соединительные трубопроводы с запорной арматурой, а внутри заполнены адсорбентом, отличающаяся тем, что адсорберы установлены в металлическом контейнере и в корпусе каждого адсорбера расположены распределители воздуха - верхний и нижний, пространство между которыми заполнено адсорбентом, а электронагреватели проходят через нижний распределитель и установлены в адсорбентах перпендикулярно распределителям, которые соединены вертикальным стержнем, верхняя часть которого проходит через верхний распределитель и входит в люк загрузки, расположенный на корпусе адсорберов, при этом на другом конце стержня закреплен диск с крестообразной направляющей, которая установлена в люке выгрузки, расположенном в днище корпуса адсорберов и соединенном с нижним распределителем.
Недостатком указанной установки является ее высокая энергоемкость при производстве сосудов, работающих под давлением, с учетом требований к сосудам и низкая эффективность при регенерации сорбента, вызванная использованием части продуктового потока, и отсутствие возможности обеспечения постоянного потока сухого воздуха.
Наиболее близким по конструктивному исполнению и принятым за прототип является устройство для осушки газов, в частности воздуха, формируемых и транспортируемых под избыточным давлением, описанное в патенте РФ №177549. Данное устройство включает в себя сборку термоэлектрических элементов с охлаждаемой и нагреваемой контактными поверхностями и с блоком электрического питания постоянным током, установленную с тепловым контактом с охлаждаемой поверхностью сборки камеру конденсации высокого давления с внутренней полостью и с патрубками для подвода и отвода сжатого газа, устройство отвода конденсата, устройство для отвода осушенного газа с влагомером и установленную с тепловым контактом с нагреваемой поверхностью сборки теплообменную камеру с внутренней полостью и внутренним радиатором на контактирующей со сборкой поверхностью, снабженную патрубками для подачи и отвода охлаждающей среды, устройство для отвода конденсата выполнено в виде проточного влагоотделителя-влагоудалителя высокого давления, вход которого соединен газовой коммуникацией с патрубком для отвода сжатого газа из камеры конденсации, а выход соединен второй газовой коммуникацией с патрубком для подачи охлаждающей среды в теплообменную камеру, наружная поверхность камеры конденсации, не контактирующая с поверхностью сборки, снабжена теплоизоляцией, теплообменная камера выполнена в виде камеры высокого давления, а устройство для отвода осушенного газа соединено с патрубком для отвода охлаждающей среды из теплообменной камеры, причем наружная поверхность теплообменной камеры снабжена дополнительным радиатором и устройством для его обдува внешним воздухом.
Однако данная установка имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, термоэлектрическая сборка элементов выполнена в контакте с внешней средой, что приводит к существенным теплопотерям. Во-вторых, камера конденсации и камера теплообменника имеют довольно сложную конструкцию, что вызывает удорожание системы и повышает сложность ее реализации. В-третьих, система снабжена сложной системой контроля и управления. Кроме того, введение дополнительных активных завихрителей газового потока также вызывает дополнительные энергозатраты.
Технической задачей предложенной полезной модели является устранение технологических недостатков и снижение энергопотребления при использовании термоэлектрических осушителей газа в задачах осушки сжатого воздуха, технического и природного газа с целью их последующего сжижения, транспортировки и использования.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, заключается в повышении энергоэффективности процесса осушки компримированных газов за счет исполнения в едином корпусе термоэлектрической сборки элементов Пельтье, камеры конденсации и теплообменной камеры, что позволяет значительно упростить процесс осушки компримированного газа.
Указанный технический результат достигается созданием установки, содержащей блок питания электрическим постоянным током, подключенный к термоэлектрическому осушителю, включающему в себя сборку термоэлектрических элементов Пельтье, имеющих горячую контактную поверхность, установленную с тепловым контактом с нагреваемой поверхностью сборки теплообменную камеру с внутренним радиатором на контактирующей со сборкой поверхностью, снабженную патрубками для подвода и отвода нагреваемого компримированного газа и холодную контактную поверхность, установленную с тепловым контактом с охлаждаемой поверхностью конденсационного радиатора камеры конденсации высокого давления с патрубками для подвода осушаемого компримированного газа и отвода конденсата и осушенного компримированного газа, термоэлектрическая сборка элементов Пельтье, камера конденсации и теплообменная камера выполнены в едином корпусе из цилиндрической полой трубы с двумя запорными крышками, при этом на крышке со стороны охлаждаемой поверхности термоэлектрической сборки расположены входной патрубок для подвода осушаемого газа и выходной патрубок для конденсата и осушенного охлажденного газа, который соединен с входным патрубком циклонного сепаратора влаги, выходной газовый патрубок которого соединен с входным патрубком, расположенным на крышке со стороны нагреваемой поверхности термоэлектрической сборки камеры теплообменника, также оборудованной выходным патрубком для сухого нагретого газа, отводимого потребителю и технологического отверстия для подвода питания и управления термоэлектрической сборкой на второй крышке, второй выходной патрубок циклонного сепаратора, служащий для отвода конденсата, соединен с входным патрубком бака для сбора конденсата, оснащенного датчиком уровня жидкости, через электромагнитный клапан, а выходной патрубок бака для сбора конденсата через второй электромагнитный клапан соединен с атмосферой.
Заявленная полезная модель поясняется чертежами, на которых представлена принципиальная схема осушителя компримированного газа на основе элементов Пельтье (Фиг. 1) и сборка термоэлектрических элементов, камеры конденсации и камеры теплообменника в едином корпусе (Фиг. 2). Схемы выполнена в виде графических условных обозначений элементов, связанных функционально линиями перемещения потоков сжатого газа и конденсата.
Осушитель компримированного газа на основе элементов Пельтье состоит из термоэлектрического осушителя 1, включающего сборку элементов Пельтье 2, блок электрического питания постоянным током, радиатор 3 установленный с тепловым контактом на охлаждаемой поверхности термоэлектрической сборки элементов Пельтье в камере конденсации и радиатор 4 установленный с тепловым контактом нагреваемой поверхности термоэлектрической сборки элементов Пельтье в камере теплообменника. Термоэлектрическая сборка элементов Пельтье, камера конденсации и камера теплообменника выполнены в едином корпусе из цилиндрической полой трубы 5 с двумя запорными крышками 6. Верхняя запорная крышка имеет патрубок для подвода компримированного осушаемого газа на стороне конденсационной камеры, патрубок для отвода осушенного компримированного газа потребителю на стороне теплообменной камеры и технологическое отверстие 7 для подвода питания и управления термоэлектрической сборкой элементов Пельтье. Нижняя крышка имеет патрубок для отвода осушенного газа и конденсата на стороне конденсационной камеры на вход циклонного сепаратора влаги 8 и патрубок для подвода осушенного газа, прошедшего через циклонный сепаратор влаги, на стороне теплообменной камеры. Герметичность корпуса термоэлектрического осушителя достигается за счет использования на концах трубы втулок под фланец 9, обеспечивающих контакт с крышками осушителя с помощью фланцев для втулок 10, винтов 11 с шайбами 12 и гаек 13. Для улучшения контакта крышки осушителя с втулкой под фланец и повышения качества герметизации корпуса на поверхность крышки может быть нанесен герметик или использована прокладка в виде кольца из вакуумной резины или фторопласта. Патрубок циклонного сепаратора влаги служащий для отвода конденсата через электромагнитный клапан 14 подключен к баку для сбора конденсата 15, выходной патрубок которого блокирован электромагнитным клапаном 16 и соединен с атмосферой. В конденсационной камере с тепловым контактом охлаждающей поверхности термоэлектрической сборки может быть смонтирована дополнительная пластина радиатор 17. На коммуникации между выходным патрубком циклонного сепаратора влаги и входным патрубком камеры теплообменника может быть установлен коалесцентный фильтр высокого давления с удалителем влаги. В камере конденсации и теплообменной камере могут быть установлены датчики температуры 18, 19 позволяющие осуществить контроль работы осушителя. Бак для сбора конденсата может быть оборудован датчиком уровня жидкости 20 данные которого считываются системой управления электромагнитными клапанами 21.
Устройство работает следующим образом.
Сжатый газ подается на вход термоэлектрического осушителя 1 через входной патрубок верхней запорной крышки 6 расположенный на стороне конденсационной камеры корпуса. В конденсационной камере газ вступает в тепловой контакт с радиатором 3 конденсационной камеры термоэлектрического осушителя. Температура газа опускается до заданной точки росы, в результате чего в конденсационной камере конденсируется вода. Осушенный и охлажденный газ через выходной патрубок нижней запорной крышки поступает в циклонный сепаратор влаги 8, при этом конденсат, выпавший в камере конденсации, под действием гравитации и увлекаемый потоком сухого газа также поступает в циклонный сепаратор влаги. Внутри циклонного сепаратора влаги сухой газ отделяется от частиц и капель влаги, после чего поступает на входной патрубок камеры теплообменника, расположенный на нижней запорной крышке корпуса термоэлектрического осушителя. Внутри камеры теплообменника сухой влажный газ вступает в тепловой контакт с радиатором 4 теплообменной камеры, в результате чего его температура повышается. Нагретый сухой газ через выходной патрубок верхней крышки осушителя выводится потребителю. Конденсат, полученный в циклонном сепараторе влаги 8, через клапан 14 поступает в бак для сбора конденсата 15. По мере заполнения бака для сбора конденсата, конденсат сбрасывается через клапан 16. Управление и питание термоэлектрической сборкой элементов Пельтье осуществляется через технологическое отверстие 7 в верхней запорной крышке термоэлектрического осушителя.
В частности, устройство может быть снабжено, дополнительной пластиной радиатором, смонтированным с тепловым контактом с охлаждаемой поверхностью термоэлектрической сборки элементов Пельтье для повышения эффективности охлаждения поверхности сборки.
Устройство может быть также снабжено коалесцентным фильтром высокого давления с удалителем влаги установленным на газовой коммуникации между циклонным сепаратором и входным патрубком камеры теплообменника.
Устройство может быть также снабжено дополнительным контуром жидкостного охлаждения, установленным с тепловым контактом с поверхностью внутреннего радиатора теплообменной камеры через технологическое отверстие верхней крышки, повышающим общую эффективность работы осушителя на элементах Пельтье за счет увеличения теплообмена с окружающей средой.
Для контроля качества продуктового потока и эффективности работы осушителя в камере конденсации и теплообменной камере могут быть установлены датчики температуры. Кроме того в устройстве предусмотрено подключение системы управления и автоматического сброса конденсата в атмосферу, принимающей сигнал с датчика уровня жидкости устанавливаемого в баке для сбора конденсата и управляющей системой электромагнитных клапанов. Корпус устройства, выполненный в виде трубы, может быть изготовлен из пластиковой трубы, что улучшит массогабаритные характеристики осушителя.