Автономный термоэлектрогенератор на трубопроводе

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, расположение термоэмиссионных преобразователей в последовательно соединенных рядах, снижающее возможность получения существенной силы тока непосредственно при его генерации из– за высоких потерь в каждом ряду, помещение рядов термоэмиссионных преобразователей в ребра, выполненные из гидростойкого диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, непосредственно соприкасающиеся с окружающей средой (грунтом, водой, что увеличивает вероятность их механического или коррозионного повреждения, воздухом), что, в конечном счете, снижает его надежность и эффективность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности автономного термоэлектрогенератора на трубопроводе.

Технический результат достигается автономным термоэлектрогенератором на трубопроводе, содержащим участок трубопровода, на котором расположены по всей его длине окружные теплоэлектрические секции, снабженные электрическими конденсаторами и соединенные между собой перемычками, образуя термоэлектрический блок, снабженный токовыводами с одноименными зарядами, каждая окружная теплоэлектрическая секция состоит из нескольких окружных параллельных рядов, составленных из размещенных зигзагообразно по очередности друг за другом термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых состоит из пары 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 в каждом окружном параллельном ряду продольно соединены между собой и зажаты двумя парными верхними и нижними параллельными продольными крепежными полосами, покрытыми совместно со спаями с наружных продольных торцов слоем диэлектрического материала, причем участок трубопровода, на котором расположены окружные теплоэлектрические секции закрыт цилиндрическим кожухом, выполненным из коррозионноустойчивого материала с высокой теплопроводностью и состоящим из двух полуцилиндрических кожухов, снабженных продольными фланцами с крепежными отверстиями, которые обеспечивают плотное прижатие торцов спаев термоэмиссионных преобразователей совместно с наружными продольными торцами верхних и нижних крепежных полос к наружной поверхности участка трубопровода и внутренней поверхности цилиндрического кожуха.

На фиг. 1–6 представлен автономный термоэлектрогенератор на трубопроводе (АТЭГТ) (фиг. 1–4 – общий вид и разрезы АТЭГТ, фиг. 5–6 – узел теплоэлектрической секции (АТЭС) и термоэмиссионных преобразователей (ТЭП).

Предлагаемый автономный термоэлектрогенератор на трубопроводе (АТЭГТ) включает участок трубопровода 1, на котором расположены по всей его длине окружные теплоэлектрические секции (ОТЭС) 2, снабженные электрическими конденсаторами 3 и соединенные между собой перемычками 4, образуя термоэлектрический блок (ТЭБ) 5, снабженный токовыводами с одноименными зарядами 6, каждая ОТЭС 2 состоит из нескольких окружных параллельных рядов 7, составленных из размещенных зигзагообразно по очередности друг за другом термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 8, каждый из которых состоит из пары 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 9 и 10, которые в каждом окружном параллельном ряду 7 продольно соединены между собой и зажаты двумя парными верхними и нижними параллельными продольными крепежными полосами 11 и 12, покрытыми совместно с со спаями 9 и 10 с наружных продольных торцов слоем диэлектрического материала 13 (например, выполненными из слюды или термостойкого герметика), причем участок трубопровода 1, на котором расположены ОТЭС 2 закрыт цилиндрическим кожухом 14, выполненным из коррозионноустойчивого материала с высокой теплопроводностью и состоящим из двух полуцилиндрических кожухов 15 и 16, снабженных продольными фланцами 17 с крепежными отверстиями (на фиг. 1–6 не показаны), которые обеспечивают плотное прижатие торцов спаев 9 и 10 совместно с наружными продольными торцами крепежных полос 11 и 12 к наружной поверхности участка трубопровода 1 и внутренней поверхности цилиндрического кожуха 14 (узлы фиксации крайних верхних и нижних параллельных продольных крепежных полос 11 и 12 ОТЭС 2 ТЭБ 5 к наружной и внутренней поверхности участка трубопровода 1 и кожуха 14, соответственно, на фиг. 1–6 не показаны).

Предлагаемый АТЭГТ, представленный на фиг. 1–6, работает следующим образом.

АТЭГТ устанавливается в процессе монтажа или реконструкции трубопровода, для чего, предварительно собранные ОТЭС 2, устанавливают в продольные пазы (на фиг. 1–6 не показаны) на наружной поверхности участка трубопровода 1, соединяют их электрическими конденсаторами 3 и перемычками 4, далее торцы ТЭП 8 ОТЭС 2 прижимают посредством стяжки фланцев 17 к внутренней поверхности пазов на внутренней поверхности кожуха 14 (на фиг. 1–6 не показаны), после чего токовыводы 6 соединяют с регулирующим блоком и потребителем (на фиг.1–6 не показаны).

После заполнения трубопровода и начала движения в нем потока газа (жидкости) с температурой t_П выше, чем температура грунта (воздуха, воды) t_С, который соприкасается с наружной поверхностью кожуха 14, выполненного из гидростойкого с высокой теплопроводностью материала, в результате разности температур (t_П – t_С) происходит теплообмен между горячим газом (жидкостью), движущимся по участку трубы 1 и холодной окружающей средой (грунтом, водой, воздухом), спаи 9 и 10, выполненные из металлов М1 и М2, совместно с продольными крепежными полосами 11 и 12, нагреваются и охлаждаются спаи. При этом, конструкция верхних и нижних кромок ОТЭС 2, выполненная из нескольких окружных параллельных рядов 7. соединенных параллельно через свои спаи 9 и 10 сплошными крепежными полосами 11 и 12, выполненными из материала 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) и, в тоже время, в результате их параллельного соединения увеличить силу тока. Создаваемая разность температур (t_П – t_С) между зонами нагрева и охлаждения вызывает эмиссию электронов во всех ТЭП 8 и, соответственно, возникновение в зигзагообразных рядах АТЭС 2 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506]. При этом параллельное соединение окружных рядов 7 верхними и нижними крепежными полосами 11 и 12 в каждой АТЭС 2 позволяет увеличить силу тока без использования преобразователя, что увеличивает КПД АТЭГТ.

В ТЭБ 4 каждый конденсатор 3 обслуживает свою АТЭС 2, а так как конденсаторы каждой АТЭС 2 соединены между собой последовательно, то термоэлектричество предыдущих АТЭС 2 не проходит через последующие АТЭС 2, а движется только через последовательно соединенные конденсаторы 3, что существенно снижает потери мощности на преодоление сопротивлений электричеству при прохождении по многочисленным ТЭП 8. Эффективная работа конденсаторов 3 обеспечивается также тем, что они находятся вблизи зоны охлаждения наружной средой. Полученное термоэлектричество через токовыводы 6 поступает в блок регулирования, где создается требуемое напряжение и сила тока и подается потребителю (на фиг. 1–6 не показаны).

Наличие кожуха 14 АТЭГТ предохраняет ТЭП 8 от механических повреждений окружающей средой, от ее коррозионного воздействия и утечки полученного электричества.

Величина разности электрического потенциала и силы тока на токовыводах 6 зависит от разности температур на спаях металлов М1 и М2, их характеристик, количества ТЭП 8 в АТЭС 2 и их числа. При необходимости устанавливают несколько ТЭБ 4. Требуемые напряжение U и силу тока I в зависимости от расхода газа (жидкости) и величины разности температур (t_П– t_С) регулируют в блоке регулирования. Полученное электричество можно использовать, например, для защиты трубопровода от электрохимической коррозии или электропривода задвижек.

Таким образом, конструкция предлагаемого АТЭГТ предохраняет термоэлектрические преобразователи от механических повреждений и коррозии, снижает электрическое сопротивление установки, повышая коэффициент полезного действия, а также обеспечивает возможность замены вышедших из строя термоэмиссионных преобразователей или теплоэлектрических секций на действующем трубопроводе, без разрушения смежных термоэлектрических секций, что повышает его надежность и эффективность.