UA146257U

UA146257U - MODULE FOR HEAT UTILIZATION IN COMPRESSED AIR SYSTEMS

Info

Publication number: UA146257U
Application number: UAU202005714U
Authority: UA
Inventors: Альберт Кирилович Сандлер; Олександр Юрійович Карпілов; Ганна Олександрівна Кузнєцова
Original assignee: Національний Університет "Одеська Морська Академія"; Альберт Кирилович Сандлер; Олександр Юрійович Карпілов; Ганна Олександрівна Кузнєцова
Priority date: 2020-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2021-02-03

Abstract

Модуль для утилізації тепла у системах стисного повітря складається з основ з первинним та вторинним елементами Пельтьє. До складу модуля залучено вихрову камеру з трубопроводами холодного та гарячого газу з клапаном, на яких жорстоко змонтовані відповідно основи з первинним та вторинним елементами Пельтьє.The module for heat recovery in compressed air systems consists of bases with primary and secondary Peltier elements. The module includes a vortex chamber with cold and hot gas pipelines with a valve, on which the bases with the primary and secondary Peltier elements are rigidly mounted, respectively.

Description

Корисна модель належить до модулів утилізації низькопотенційного тепла, які основані на застосуванні термоелектричного ефекту у напівпровідниках та ефекту Ранка-Хільша у стиснутих газах. Область застосування - утилізація низькопотенційного тепла. Для перетворення тепла стисного повітря у промислових системах високого та середнього тискуA useful model belongs to the low-potential heat recovery modules, which are based on the application of the thermoelectric effect in semiconductors and the Rank-Hilsch effect in compressed gases. The field of application is the utilization of low-potential heat. For converting the heat of compressed air in high and medium pressure industrial systems

П2І.P2I.

Відомим є модуль на основі термоелемента Нернста-Еттингсгаузена, що складається зі спірального тіла однорідного анізотропного термоелемента та каліброваного прошарку між гілками спіралі з матеріалу з низькою теплопровідністю |ЗІ.A module based on a Nernst-Ettingshausen thermocouple is known, consisting of a spiral body of a homogeneous anisotropic thermocouple and a calibrated layer between the branches of the spiral made of a material with low thermal conductivity |ZI.

Недоліки пристрою, які обумовлені використанням спірального тіла термоелемента та каліброваного прошарку: необхідність постійної корекції параметрів робочої термоелементної спіралі; необхідність ретельного захисту термоелементної спіралі від шкідливого впливу повітря з підвищеним вмістом вологи та парів мастила та палива; вихід із ладу усього модуля у разі навіть точкового пошкодження термоелементної спіралі; складність монтажу та заміни модуля в експлуатаційних умовах.Disadvantages of the device, which are due to the use of a spiral body of the thermoelement and a calibrated layer: the need for constant correction of the parameters of the working thermoelement spiral; the need for careful protection of the thermoelement spiral from the harmful effects of air with an increased moisture content and vapors of lubricant and fuel; failure of the entire module in the event of even point damage to the thermocouple spiral; the difficulty of installing and replacing the module in operational conditions.

Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, аналогом корисної моделі є модуль, що складається з двох напівциліндричних основ, що з'єднуються між собою еластичними фіксаторами, та на усій площі внутрішньої поверхні яких змонтовані первинні частини елемента Пельтьє, а на зовнішній поверхні - додаткові радіатори охолодження та вторинні частини елемента Пельтьє, які сполучені з первинними частинами металевими стрижнями |41.The closest analogue of the useful model in terms of technical essence and the result achieved is the module, which consists of two semi-cylindrical bases connected by elastic fasteners, and on the entire area of the inner surface of which the primary parts of the Peltier element are mounted, and on the outer surface - additional cooling radiators and secondary parts of the Peltier element, which are connected to the primary parts by metal rods |41.

Недоліки пристрою, які обумовлені використанням поєднаних в одному блоці первинних та вторинних частин елемента Пельтьє, напівциліндричних основ фіксованих розмірів та еластичних фіксаторів: вихід із ладу усього модуля у разі пошкодження первинної або вторинної частини елементаDisadvantages of the device, which are due to the use of primary and secondary parts of the Peltier element combined in one block, semi-cylindrical bases of fixed sizes and elastic fasteners: failure of the entire module in case of damage to the primary or secondary part of the element

Пельтьє; необхідність створення широкої номенклатури розмірів напівциліндричних основ для монтажу на трубопроводи різних діаметрів; втрата з часом властивостей еластичних фіксаторів, та як наслідок зміна умов контактуPeltier; the need to create a wide range of sizes of semi-cylindrical bases for installation on pipelines of various diameters; loss over time of the properties of elastic fasteners, and as a result, a change in contact conditions

Зо основ та трубопроводів з теплоносієм.From foundations and pipelines with coolant.

В основу корисної моделі поставлено задачу створення модуля для утилізації тепла у системах стисного повітря, у якому термоелемент не є моноблочним, забезпечено максимальний контакт поверхонь термоелемента та трубопроводу, та одночасно присутня можливість сполучення з трубопроводами різних діаметрів.The useful model is based on the task of creating a module for heat recovery in compressed air systems, in which the thermocouple is not monoblock, the maximum contact between the surfaces of the thermocouple and the pipeline is ensured, and at the same time there is a possibility of connection with pipelines of different diameters.

Поставлена задача вирішується тим, що модуль для утилізації тепла у системах стисного повітря, що складається з основ з первинним та вторинним елементами Пельтьє, згідно з корисною моделлю, до складу модуля залучено вихрову камеру з трубопроводами холодного та гарячого газу з клапаном, на яких жорстоко змонтовані відповідно основи з первинним та вторинним елементами Пельтьє.The task is solved by the fact that the module for heat utilization in compressed air systems, consisting of bases with primary and secondary Peltier elements, according to a useful model, the module includes a vortex chamber with cold and hot gas pipelines with a valve, on which brutally mounted base with primary and secondary Peltier elements, respectively.

Технічний ефект досягається завдяки тому, що застосування вихрової камери з трубопроводами холодного та гарячого газу, та відокремлених первинних та вторинних елементів Пельтьє: збереження роботоспроможності модуля, навіть при виходу з ладу частки термоелементів; максимальний контакт перетворюючих елементів з трубопроводом з теплоносієм; підвищення якості функціонування за рахунок складання батарей з однотипних модулів; легкість сполучення з існуючими у системі трубопроводами різних діаметрів.The technical effect is achieved due to the fact that the use of a vortex chamber with cold and hot gas pipelines, and separated primary and secondary Peltier elements: preservation of the module's operability, even when part of the thermoelements fail; maximum contact of the converting elements with the pipeline with the coolant; improving the quality of functioning due to the assembly of batteries from modules of the same type; ease of connection with pipelines of various diameters existing in the system.

Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де зображено дві циліндричні основи з елементами Пельтє 5 та б, що розташовуються на трубопроводах з гарячим 2 та холодним газом 4. Трубопроводи сполучені з вихровою камерою 1. На трубопроводі гарячого газу розташований регулюючий клапан 3.The essence of the useful model is explained by the drawing, which shows two cylindrical bases with Peltier elements 5 and b, which are located on pipelines with hot gas 2 and cold gas 4. The pipelines are connected to the vortex chamber 1. The control valve 3 is located on the hot gas pipeline.

Стисний газ надходить до вихрової камери. У камері відбувається закручування потоку та спрямування його до трубопроводу гарячого газу. Частина газу охолоджується, поширюється та концентрується поблизу осьової трубопроводу. Друга частина газу набуває більш високу швидкість, нагрівається та локалізується на периферії. При досягненні регульованого клапана гаряча складова надходить до системи. Холодна складова зіштовхується з клапаном та починає рух у зворотному напрямку до трубопроводу холодного газу. Тим самим утворюються умови, коли між двома трубопроводами утворюється градієнт температур (5,61.Compressed gas enters the vortex chamber. In the chamber, the flow is swirled and directed to the hot gas pipeline. Part of the gas cools, spreads and concentrates near the axial pipeline. The second part of the gas acquires a higher speed, heats up and is localized on the periphery. When the adjustable valve is reached, the hot component enters the system. The cold component collides with the valve and begins to move in the opposite direction to the cold gas pipeline. This creates conditions when a temperature gradient is formed between two pipelines (5.61.

Коли між елементами Пельтьє виникає градієнт температур, то електрони у первинних елементах здобувають більш високі енергії й швидкості, чим на вторинних, й концентрація бо електронів провідності росте з температурою. У результаті виникає потік електронів від первинних до вторинних елементів й на вторинних накопичується негативний заряд, а на первинних залишається нескомпенсований позитивний заряд. Процес накопичення заряду триває доти, доки різниці потенціалів, що виникла, не викличе потік електронів у зворотному напрямку, рівний первинному, завдяки чому встановиться рівновага. Після чого наступає сталий режим перетворення теплової енергії у електричну.When a temperature gradient occurs between the Peltier elements, the electrons in the primary elements acquire higher energies and speeds than in the secondary ones, and the concentration of conduction electrons increases with temperature. As a result, there is a flow of electrons from primary to secondary elements and a negative charge accumulates on the secondary ones, and an uncompensated positive charge remains on the primary ones. The process of charge accumulation continues until the resulting potential difference causes a flow of electrons in the reverse direction, equal to the primary one, due to which equilibrium is established. After that, a constant mode of conversion of thermal energy into electrical energy follows.

Таким чином, здійснюється утилізація тепла стисного повітря.Thus, the heat of compressed air is utilized.

Модуль для утилізації тепла у системах стисного повітря: 1 - вихрова камера; 2 - трубопровід гарячого газу; З - клапан; 4 - трубопровід холодного газу; 5 - основа з первинною частиною елемента Пельтьє; 6 - основа з вторинною частиною елемента ПельтьєModule for heat utilization in compressed air systems: 1 - vortex chamber; 2 - hot gas pipeline; C - valve; 4 - cold gas pipeline; 5 - the base with the primary part of the Peltier element; 6 - the base with the secondary part of the Peltier element

Відомості, які підтверджують можливість здійснення винаходуInformation that confirms the possibility of implementing the invention

Для здійснення винаходу застосовано комбінацію елементів, у яких відбуваються зміни енергії у відповідності до ефектів Ранка-Хільша та термоелектричного.For the implementation of the invention, a combination of elements is used, in which energy changes occur in accordance with the Rank-Hilsch and thermoelectric effects.

У статичному режимі, тобто, коли температура гарячого та холодного трубопроводів дорівнює температурі зовнішнього середовища й температурі елементів Пельтьє, процес перетворення теплової енергії у електричну не відбувається.In static mode, that is, when the temperature of the hot and cold pipelines is equal to the temperature of the external environment and the temperature of the Peltier elements, the process of converting thermal energy into electrical energy does not occur.

При зростанні температурного градієнта між трубопроводами холодного та гарячого газу збільшується різниця температур між первинними та вторинними частинами елементів Пельтьє.As the temperature gradient between the cold and hot gas pipelines increases, the temperature difference between the primary and secondary parts of the Peltier elements increases.

У результаті виникає потік електронів від первинних до вторинних елементів й на вторинних накопичується негативний заряд, а на первинних залишається нескомпенсований позитивний заряд. Процес накопичення заряду триває доти, доки різниці потенціалів, що виникла, не викличе потік електронів у зворотному напрямку, рівний первинному, завдяки чому встановиться рівновага. Після чого наступає сталий режим перетворення теплової енергії у електричну. Стисний газ з обох трубопроводів надається до відповідних споживачів.As a result, there is a flow of electrons from primary to secondary elements and a negative charge accumulates on the secondary ones, and an uncompensated positive charge remains on the primary ones. The process of charge accumulation continues until the resulting potential difference causes a flow of electrons in the reverse direction, equal to the primary one, due to which equilibrium is established. After that, a constant mode of conversion of thermal energy into electrical energy follows. Compressed gas from both pipelines is supplied to the respective consumers.

Модуль утилізації тепла у цьому статусі може використовуватися як у режимі мономодуля, так і у режимі складальної батареї модулів. У цьому випадку є можливість за рахунок зміни варіантів сполучення елементів батареї отримувати різні параметри електричного струму.The heat recovery module in this status can be used both in single-module mode and in the mode of a modular battery of modules. In this case, it is possible to obtain different parameters of the electric current by changing the options for connecting the battery elements.

Джерела інформації: 1. Шварц, Г.Р., Голубев, С.В., Левьікин, Б.П. и др. Утилизационньюе знергетические установки с органическими теплоносителями // Газовая промьішленность.-2000. Мо 6. - С. 14.Sources of information: 1. Schwartz, G.R., Golubev, S.V., Levikin, B.P. et al. Utilization of deenergizing plants with organic heat carriers // Gazovaya promyishlennost.-2000. Mo. 6. - P. 14.

Зо 2. Пятничко, В.А. Утилизация низкопотенциального тепла в знергетических установках с органическими теплоносителями // Зкотехнологии и ресурсо-сбережение.-2002. Мо 5.-С. 1014. 3. Анатьічук, Л.И. Термозлектричество. 1.2. Термозлектрические преобразователи знергии.From 2. Pyatnychko, V.A. Utilization of low-potential heat in deenergizing plants with organic coolants // Zkotechnologii i resurso-sberezhenie.-2002. Mo 5.-S. 1014. 3. Anatichuk, L.I. Thermoelectricity. 1.2. Thermoelectric energy converters.

Институт термозлектричества. - Киев, Черновць: 2003. - 376 с. 4. Сандлер, А.К., Цюпко, Ю.М. Модуль для утилізації низькопотенційного тепла суднових енергетичних установок: Патент України Мо 97156, МПК (2015.01) (01М 11/00. - заявл. 28.04.2014. // Опубл. 10.03.2015, бюл. Мо 5. 5. Коркодинов, Я.А., Хурматуллин, О.Г. Применение зффекта Ранка-Хильша. //ВестникInstitute of Thermoelectricity. - Kyiv, Chernivtsi: 2003. - 376 p. 4. Sandler, A.K., Tsyupko, Y.M. Module for utilization of low-potential heat of ship power plants: Patent of Ukraine Mo 97156, IPC (2015.01) (01М 11/00. - application 04/28/2014. // Publ. 03/10/2015, Bull. Mo 5. 5. Korkodinov, Ya. A., Khurmatullin, O.G. Application of the Rank-Khilsch effect // Bulletin

Пермского национального исследовательского политехнического университета.Perm National Research Polytechnic University.

Машиностроениеє, материаловедение.-2012. - Т. 14. - б. 42-54. 6. Коновалов, В.И., Орлов, А.Ю., Кудра, Т. Разработка расчета вихревьїх труб Ранка-Хилша. //Вестник Тамбовского государственного технического университета.-2012. - Т. 18. - Мо 1. - С.Mechanical engineering, materials science.-2012. - T. 14. - b. 42-54. 6. Konovalov, V.Y., Orlov, A.Yu., Kudra, T. Development of calculation of Ranka-Khilsh vortex tubes. // Bulletin of the Tambov State Technical University.-2012. - T. 18. - Mo. 1. - S.

Claims

74-106.

USEFUL MODEL FORMULA

45 Module for heat utilization in compressed air systems, consisting of bases with primary and secondary Peltier elements, which is distinguished by the fact that the module includes a vortex chamber with cold and hot gas pipelines with a valve, on which the bases with primary and secondary Peltier elements.