Комбинированное вихревое термоэлектрическое устройство



Комбинированное вихревое термоэлектрическое устройство
Комбинированное вихревое термоэлектрическое устройство
Комбинированное вихревое термоэлектрическое устройство
Комбинированное вихревое термоэлектрическое устройство
Комбинированное вихревое термоэлектрическое устройство
Комбинированное вихревое термоэлектрическое устройство

 


Владельцы патента RU 2479073:

Артемов Вячеслав Семенович (RU)

Изобретение относится к устройствам, работа которых основана на эффектах Ранка-Хилше, Пельтье, Зеебека, и может быть использовано в нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности для нагрева/охлаждения газа или жидкости, а также получения электроэнергии для питания слаботочной аппаратуры. Сущность: устройство содержит вихревую трубу с тангенциальным вводом, завихрителем и тормозным устройством, холодный и горячий теплообменники, между которыми установлены термоэлектрические модули. Теплообменники выполнены в виде трубопроводов трапецеидального сечения и размещены вдоль вихревой трубы с внешней ее стороны поочередно горячий-холодный-горячий и т.д. по окружности с радиальными зазорами относительно друг друга. Термоэлектрические модули одной своей плоской термочувствительной поверхностью плотно прилегают к боковой стороне трубопровода трапецеидального сечения горячих теплообменников, а другой своей плоской термочувствительной поверхностью - к боковой стороне трубопровода трапецеидального сечения холодных теплообменников. Технический результат - повышение надежности, расширение функциональных возможностей, уменьшение рассеивания температуры горячего и холодного потоков, повышение эффективности. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к устройствам, работа которых основана на вихревом эффекте Ранка-Хилше, электротермическом эффекте Пельтье, термоэлектрическом эффекте Зеебека, и может быть использовано в нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности для нагрева/охлаждения газа или жидкости, а также получения электроэнергии на неэлектрифицированных скважинах, газораспределительных станциях и других объектах с целью питания слаботочной аппаратуры.

Известно множество устройств, работа которых основана на вихревом эффекте Ранка-Хилше, например вихревая труба (патент РФ №2098723), содержащая камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом, диафрагму с центральным отверстием и дроссель, на крестовине которого установлены радиально расположенные лопасти, а диафрагма выполнена за одно с расширяющимся к выходу раструбом, вход которого соединен с центральным отверстием.

Недостатком этого и других аналогичных устройств является то, что они имеют ограниченное использование в основном для охлаждения объектов и эффективно работают только на сжатом газе.

Известна термогенерирующая установка, применяемая для нагрева жидкости, работа которой основана на вихревом эффекте Ранка-Хилше (патент РФ №2190162), содержащая теплообменную обойму с выходным патрубком, внутри которой установлена цилиндрическая вихревая труба с тангенциальным сопловым вводом и выходом на одном конце первого цилиндрического корпуса, тормозным устройством и выходом на противоположном конце второго цилиндрического корпуса, причем центральная часть цилиндрической вихревой трубы выполнена в виде полой спирали с входным и выходным патрубками, витки которой жестко соединены друг с другом.

Недостатком этого устройства является то, что эффективность нагрева жидкости в нем определяется лишь расходом и давлением поступающего на вход в вихревую трубу теплоносителя, которые в реальных условиях могут изменяться в значительных пределах, что отрицательно сказывается на надежной работе устройства.

Известно устройство для нагрева и охлаждения жидкости, работа которого основана на электротермическом эффекте Пельтье (патент РФ №2154875), включающее, по крайней мере, одну термобатарею, содержащую полупроводниковые ветви р- и п-проводимости, теплообменники горячего и холодного контуров протока жидкости, выполненные в виде чередующихся каналов горячего и холодного контуров протока жидкости.

Недостатками этого устройства являются то, что надежность его работы обеспечивается лишь мощностью термоэлектрических батарей, которой бывает недостаточно при ограниченных размерах устройства для эффективного нагрева/охлаждения жидкости, а также сложность конструкции теплообменников и значительные габариты самого устройства.

Известно устройство для производства тепловой и электрической энергии, работа которого основана на термоэлектрическом эффекте Зеебека (патент РФ №2224190), содержащее горелку на органическом топливе, теплоприемники, термоэлектрические батареи, теплообменники и силовую раму.

Основным недостатком данного устройства является то, что его работа обеспечивается сжиганием топлива, что связано с пожарной опасностью, особенно при использовании на пожароопасных объектах, а также загрязнением окружающей среды продуктами сгорания топлива.

Известен вихревой термоэлектрический источник для оборудования газораспределительных станций (ТЭГ-ВТ), работа которого основана на вихревом эффекте Ранка-Хилше и термоэлектрическом эффекте Зеебека (вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, №2, 2007 г., стр.44, рис.2), который по большинству сходных признаков принят за прототип, содержащий корпус (кожух), внутри которого размещена вихревая труба с тангенциальным вводом, коллекторы холодного и горячего потока, холодный и горячий теплообменники, между которыми установлены термоэлектрические модули.

Недостатком данного устройства является то, что оно не приспособлено для работы на жидкости и эффективно работает лишь на сжатом газе, что ограничивает сферу его применения, а большие габариты и разветвленность коллекторов и теплообменников способствуют рассеиванию температуры горячего и холодного потоков во внешнюю среду, что снижает надежность работы устройства.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в том, чтобы повысить надежность работы устройства и расширить его функциональные возможности за счет использования в его работе всех трех указанных выше эффектов, более эффективного использования пространства, прилегающего к вихревой трубе, оптимального взаиморасположения теплообменников и термоэлектрических модулей, уменьшения рассеивания температуры горячего и холодного потоков во внешнюю среду.

Для достижения названного технического результата предлагаемое устройство содержит: корпус, внутри которого размещена вихревая труба с тангенциальным вводом, коллекторы холодного и горячего потока, холодный и горячий теплообменники, между которыми установлены термоэлектрические модули.

Новое, что отличает предлагаемое устройство от прототипа, заключается в том, что теплообменники выполнены в виде трубопроводов трапецеидального сечения с концевыми патрубками круглого сечения и размещены вдоль вихревой трубы с внешней ее стороны поочередно горячий - холодный - горячий и т.д. по окружности с радиальными зазорами относительно друг друга, равными высоте термоэлектрических модулей таким образом, что термоэлектрические модули одной своей плоской термочувствительной поверхностью плотно прилегают к боковой стороне трубопровода трапецеидального сечения горячих теплообменников, а другой своей плоской термочувствительной поверхностью - к боковой стороне трубопровода трапецеидального сечения холодных теплообменников.

На чертежах изображено устройство, работающее в режиме нагрева/охлаждения потока, где:

на фиг.1 - продольный разрез устройства по А-А фиг.2 и 3;

на фиг.2 -поперечный разрез устройства по Б-Б фиг.1;

на фиг.3 - поперечный разрез устройства по В-В фиг.1;

на фиг.4 - вариант исполнения устройства с циркуляцией холодного потока по замкнутому циклу;

на фиг.5 - вариант исполнения горячего теплообменника с поперечными перегородками;

на фиг.6 - электрическая схема соединений термоэлектрических модулей.

Устройство включает корпус, выполненный из неметаллического электроизоляционного материала с низкой теплопроводностью (полиэтилен, фторопласт 4 и др.), состоящий из полого цилиндра 1, трех верхних 2, 3, 4 и четырех нижних 5, 6, 7, 8 торцевых днищ. Внутри полого цилиндра 1, между торцевыми днищами 4 и 7, установлена вихревая труба 9 с тангенциальным вводом, который представляет собой шесть прямоугольных (щелевых) отверстий, выполненных по касательной к внутреннему диаметру вихревой трубы 9. Для закрутки потока, поступающего в вихревую трубу 9, к ней приварены шесть радиальных, изогнутых в сторону закрутки трубопроводов 10 прямоугольного сечения, которые, в свою очередь, жестко соединены с входным коллектором 11, размещенным между торцевыми днищами 7 и 8 и выполненным в виде тора прямоугольного сечения. Снаружи к коллектору 11 приварен входной патрубок с фланцем 12. В днище 7 ввернута ускорительная втулка 13, а в днище 3 - тормозное устройство 14, выполненные из неметаллического материала с низкой теплопроводностью. На ускорительной втулке 13 имеется осевое отверстие, расширяющееся с одного края, два радиальных отверстия и завихритель, выполненный в виде шнека, направление закрутки которого совпадает с направлением закрутки потока. На тормозном устройстве 14 имеется шесть радиальных ребер.

С внешней стороны по окружности вдоль вихревой трубы 9 размещены поочередно с зазором относительно друг друга шесть горячих и шесть холодных теплообменников, выполненных в виде трубопроводов трапецеидального сечения 15 с концевыми патрубками круглого сечения 16 и 17 для горячих теплообменников и 18 и 19 для холодных теплообменников. В зазорах между горячими и холодными теплообменниками установлены термоэлектрические модули 20 таким образом, что одной своей плоской термочувствительной поверхностью они плотно прилегают к боковым сторонам трапецеидальных трубопроводов 15 горячих теплообменников, а другой своей плоской термочувствительной поверхностью - к боковым сторонам трапецеидальных трубопроводов 15 холодных теплообменников. Горячие теплообменники закреплены на торцевых днищах 4 и 6 с помощью гаек 21, для чего на концевых патрубках 16 и 17 выполнена резьба и они пропущены через отверстия, выполненные в торцевых днищах 4, 6, 7 и 8, при этом одновременно прижимается к торцевому днищу 8 вихревая труба 9 путем воздействия торцевого днища 4 на упорную шайбу 22, установленную в проточке, выполненной в вихревой трубе 9, а холодные теплообменники с помощью гаек 21 закреплены на торцевых днищах 3 и 7, для чего на концевых патрубках 18 и 19 также выполнена резьба и они пропущены через отверстия, выполненные в торцевых днищах 3, 4, 7 и 8. Торцевое днище 2 скреплено с торцевым днищем 3, а торцевое днище 5 - с торцевым днищем 4 двенадцатью болтами 23, ввернутыми в сдвоенные гайки 24 дугообразной формы, размещенные внутри торцевых днищ 3 и 6. На торцевых днищах 2 и 5 с помощью гаек 25 закреплены выходные патрубки 26 для выхода горячего и 27 для выхода холодного потоков. В торцевом днище 8 и полом цилиндре 1 имеются вырезы (на чертеже не показаны), в которых установлена втулка 28 для вывода электрического кабеля 29. Для монтажа электрических проводов, соединяющих термоэлектрические модули 20 между собой, между полым цилиндром 1 и внешними торцевыми частями термоэлектрических модулей 20 имеется зазор. В качестве изолирующей прокладки между внутренними торцевыми частями термоэлектрических модулей 20 и вихревой трубой 9 установлена электротеплоизолирующая втулка 30, изготовленная из полиэтиленовой трубы. Входы и выходы холодных теплообменников связаны с вихревой трубой 9 через коллекторы холодного потока, в виде кольцевых полостей 31 и 32, образованных зазорами между торцевыми днищами 2 и 3 и торцевыми днищами 6 и 7, а входы и выходы горячих теплообменников связаны с вихревой трубой 9 через коллекторы горячего потока, в виде кольцевых полостей 33 и 34, образованных зазорами между торцевыми днищами 3 и 4 и торцевыми днищами 5 и 6. Для обеспечения герметичности соединений используются уплотнительные элементы 35, 36, 37 и 38. Для дополнительного нагрева горячего потока, проходящего внутри трапецеидальных трубопроводов 15 горячих теплообменников, в них могут устанавливаться поперечные перегородки 39 и 40. При использовании тормозного устройства 14 с осевым отверстием для обеспечения циркуляции холодного потока по замкнутому циклу (вихревая труба - холодный теплообменник - вихревая труба) на выходной фланцевый патрубок 27 холодного потока устанавливается заглушка 41 и крепится болтами 42.

Устройство в режиме нагрева/охлаждения потока работает следующим образом.

Сжатый газ, жидкость или газожидкостная смесь подается в устройство под давлением через входной патрубок 12 и коллектор 11, а к выводам электрического кабеля 29 подключается источник питания. Благодаря тангенциальному вводу и дополнительной закрутке в завихрителе, выполненным на ускорительной втулке 13 в виде шнека, внутри вихревой трубы 9 образуется мощный вихревой поток, при этом периферийные нагретые слои этого потока движутся по вихревой трубе 9 вверх в сторону тормозного устройства 14, после прохождения которого температура потока в результате резкого торможения возрастает еще больше, и далее движутся к коллектору горячего потока 33, а приосевые охлажденные слои потока движутся в обратном направлении к тангенциальному вводу и далее по осевому отверстию ускорительной втулки 13 к коллектору холодного потока 31. Из коллектора горячего потока 33 горячий поток, нагретый в вихревой трубе 9, поступает в горячие теплообменники, при этом, проходя по трубопроводам трапецеидального сечения 15 горячих теплообменников, дополнительно нагревается за счет электротермического эффекта Пельтье (тепла, вырабатываемого термоэлектрическими модулями 20) и соударения с поперечными перегородками 39 и 40, после чего по концевым патрубкам 17 горячих теплообменников через коллектор горячего потока 34 поступает в выходной патрубок 26. Охлажденный же в вихревой трубе 9 холодный поток из коллектора холодного потока 31 поступает в холодные теплообменники, при этом, проходя по трубопроводам трапецеидального сечения 15 холодных теплообменников, дополнительно охлаждается за счет электротермического эффекта Пельтье (холода, вырабатываемого термоэлектрическими модулями 20) и по концевым патрубкам 17 через коллектор холодного потока 32 поступает в выходной патрубок 27.

Устройство может применяться в качестве теплогенератора в отопительной системе, работа которого аналогична работе устройства в режиме нагрева/охлаждения и отличается лишь тем, что в вихревую трубу 9 циркуляционным насосом подается теплоноситель (например, вода) и в нем используется тормозное устройство 14 с осевым отверстием, а выходной фланцевый патрубок 27 холодного потока заглушен, в результате чего холодный поток циркулирует по замкнутому циклу (вихревая труба - холодный теплообменник - вихревая труба), а нагретый поток циркулирует по отопительной системе.

Работа устройства при его применении в качестве автономного источника питания отличается от работы устройства в режиме нагрева/охлаждения потока или от работы устройства, применяемого в качестве теплогенератора для отопительной системы, лишь тем, что на вход устройства подается газ или газовый конденсат под давлением непосредственно из газовой/газоконденсатной скважины или расходного трубопровода, а к выводам электрического кабеля 29 подключается не источник питания, а потребитель электроэнергии, которая вырабатывается термоэлектрическими модулями 20 за счет перепада температур горячих и холодных теплообменников и термоэлектрического эффекта Зеебека.

Выполнение теплообменников в виде трубопроводов трапецеидального сечения с концевыми патрубками круглого сечения и их размещение вдоль вихревой трубы с внешней ее стороны поочередно горячий - холодный - горячий и т.д. по окружности с радиальными зазорами относительно друг друга, равными высоте термоэлектрических модулей таким образом, что термоэлектрические модули одной своей плоской термочувствительной поверхностью плотно прилегают к боковой стороне трубопровода трапецеидального сечения горячих теплообменников, а другой своей плоской термочувствительной поверхностью - к боковой стороне трубопровода трапецеидального сечения холодных теплообменников, позволяет эффективнее использовать пространство, прилегающее к вихревой трубе, и по сравнению с прототипом при тех же габаритах разместить значительно большее количество термоэлектрических модулей, в результате чего в случае применения устройства в качестве автономного источника питания увеличивается выработка электроэнергии, а при работе устройства в режиме нагрев/охлаждение более эффективно происходит процесс температурного разделения газового потока, что повышает надежность работы устройства. Кроме того, такое исполнение устройства позволяет использовать его и в качестве теплогенератора для отопительной системы, в котором нагрев теплоносителя осуществляется не только в результате вихревого эффекта и резкого торможения закрученного потока, но и за счет электротермического эффекта, что расширяет функциональные возможности устройства. Выполнение корпуса из неметаллического материала с низкой теплопроводностью, в форме полого цилиндра с торцевыми днищами, а коллекторов холодного и горячего потоков в виде изолированных друг от друга кольцевых полостей, образованных зазорами между торцевыми днищами корпуса, снижает рассеивание температуры горячего и холодного потоков во внешнюю среду, что также способствует повышению надежности работы устройства, при этом одновременно снижается вес устройства и упрощается технология его изготовления.

1. Комбинированное вихревое термоэлектрическое устройство, содержащее корпус, внутри которого размещена вихревая труба с тангенциальным вводом, коллекторы холодного и горячего потока, холодный и горячий теплообменники, между которыми установлены термоэлектрические модули, отличающееся тем, что теплообменники выполнены в виде трубопроводов трапецеидального сечения с концевыми патрубками круглого сечения и размещены вдоль вихревой трубы с внешней ее стороны поочередно горячий-холодный-горячий и т.д. по окружности с радиальными зазорами друг относительно друга, равными высоте термоэлектрических модулей, таким образом, что термоэлектрические модули одной своей плоской термочувствительной поверхностью плотно прилегают к боковой стороне трубопровода трапецеидального сечения горячих теплообменников, а другой своей плоской термочувствительной поверхностью - к боковой стороне трубопровода трапецеидального сечения холодных теплообменников.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен из неметаллического материала с низкой теплопроводностью и имеет форму полого цилиндра с торцевыми днищами с обеих сторон

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коллекторы холодного и горячего потоков представляют собой изолированные друг от друга кольцевые полости, образованные зазорами между торцевыми днищами корпуса.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую. .

Изобретение относится к способам охлаждения и теплоотвода, например к способам охлаждения компьютерного процессора. .

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям термоэлектрических батарей (ТЭБ). .

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям термоэлектрических батарей (ТЭБ). .

Изобретение относится к технологическим приемам решения задачи обеспечения электрической энергией потребностей собственных нужд (средства телемеханики, контрольно-измерительные приборы, освещение, охранно-пожарная сигнализация и т.д.) автономно функционирующих газоредуцирующих объектов магистральных газопроводов и газовых сетей низкого давления.

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям термоэлектрических батарей (ТЭБ). .

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям термоэлектрических батарей (ТЭБ). .

Изобретение относится к области медицины, может быть использовано в физиотерапии и косметологии. .

Изобретение относится к области медицины, может быть использовано в нейрохирургии для лечения травм и заболеваний спинного мозга. .

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано на станциях переливания крови, в хирургических и реанимационных отделениях больниц и клиник, а также в научно-исследовательских медицинских учреждениях.

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для локального температурного и магнитного воздействия на рефлекторные зоны нижних конечностей человека, а также может быть использовано в целях лечебного массажа.

Изобретение относится к устройствам тепла или холода и предназначено для оценки температурных изменений параметров микромеханических модулей. .

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам охлаждения и термостатирования и может быть использовано в различных конструкциях холодильной и термостабилизирующей техники.

Изобретение относится к средствам для кондиционирования воздуха в воздушных, в частности, пассажирских судах. .

Изобретение относится к области холодильной или морозильной техники и предназначено для быстрого замораживания различных продуктов. .

Изобретение относится к области холодильной или морозильной техники и предназначено для быстрого замораживания различных продуктов, например плазмы крови, а также пищевых продуктов, помещенных в полимерные пакеты.

Изобретение относится к области термоэлектричества, в частности к термоэлектрическим устройствам Пельтье или Зеебека, эксплуатируемых в условиях многократного термоциклирования.

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к конструкциям портативных медицинских термостатов. .

Изобретение относится к технике кондиционирования и может быть использовано на транспортных средствах (кабины, салоны, изотермические фургоны), в электротехнике (термостатирование электрических систем управления, телекоммуникации и связи) и в быту для создания комфортных условий жизнедеятельности людей.

Изобретение относится к области медицинской техники, а конкретно к диагностическим приборам, основывающимся на определении температурной чувствительности кожи человека
Наверх