термоэлектрический мембранный газоразделительный элемент

Формула изобретения

Термоэлектрический мембранный газоразделительный элемент, включающий корпус, снабженный подводящим и отводящим патрубками, термоэлектрическую батарею с холодным и горячим спаем, отличающийся тем, что он представляет собой элемент трубчатого типа, содержит гладкий внутренний канал, мембрану, выполненную из диэлектрического материала с оребренной внешней поверхностью, термоэлектрическую батарею, встроенную между внутренней и внешней поверхностями мембраны и состоящую из одного или нескольких последовательно включенных Пельтье-модулей, интегрированных внутрь мембраны по всей ее длине.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к очистке технологических газов и может быть использовано при удалении посторонних примесей из них или в системах кондиционирования воздуха для снижения его влажности.

Известен фильтр-теплообменник, содержащий металлокерамическую перегородку и теплообменные трубки внутри нее [авторское свидетельство СССР №912219, 15.03.82, Бюл. №10].

Недостатком этого фильтра является то, что в режиме охлаждения теплота, отбираемая от объекта, подлежит выводу из системы, для чего используются хладагент, холодильная машина и соединительные трубопроводы. При этом при построении многокаскадных или разветвленных фильтрующих систем наличие внешних коммуникаций и оборудования значительно усложняет технологическую схему разделения, создавая трудности при ее техническом воплощении и эксплуатации. Кроме того, при значительных площадях фильтрующих элементов с использованием теплообменников трубчатого типа практически невозможно обеспечить равномерность охлаждения в сечении фильтра, что неизбежно повлечет местные нарушения температурного режима и снижение эффективности процесса разделения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является термоэлектрический осушитель газов, содержащий теплоизолированную камеру, снабженную подводящим и отводящим патрубками и заполненную пористым теплопроводным материалом, имеющим тепловой контакт с холодным спаем термоэлектрической батареи. Горячий спай соединен с теплообменником водяного или воздушного охлаждения, для сбора конденсата служит поддон, соединенный с теплоизолированной камерой [авторское свидетельство СССР №1096464, 07.06.84, Бюл. №21].

Недостатками данного типа устройств является потеря суммарной теплоты, образующейся в проводниках и отбираемой от осушаемого газа при конденсации влаги. Данная суммарная теплота, учитывая низкий коэффициент полезного действия термоэлектрической батареи, в большом количестве выделяется на ее горячем спае. Кроме того, пористый теплопроводный материал создает значительное сопротивление потоку осушаемого газа, что влечет дополнительные энергетические потери при осуществлении технологического процесса. Важно обратить внимание и на необходимость принятия дополнительных мер по недопущению переполнения сосудов для сбора конденсата с использованием автоматических устройств - конденсатоотводчиков.

Техническая задача изобретения - повышение эффективности очистки и производительности, снижение тепловых потерь, упрощение конструкции и расширение эксплуатационных возможностей.

Техническая задача достигается тем, что в термоэлектрическом мембранном газоразделительном элементе, включающем корпус, снабженный подводящим и отводящим патрубками, термоэлектрическую батарею с холодным и горячим спаем, новым является то, что он представляет собой элемент трубчатого типа, содержит гладкий внутренний канал, мембрану, выполненную из диэлектрического материала, с оребренной внешней поверхностью, термоэлектрическую батарею, встроенную между внутренней и внешней поверхностями мембраны и состоящую из одного или нескольких последовательно включенных Пельтье-модулей, интегрированных внутрь мембраны по всей ее длине, при этом мембрана жестко прикреплена к корпусу.

Технический результат заключается в повышении эффективности очистки и производительности, снижении тепловых потерь, упрощении конструкции и расширении эксплуатационных возможностей.

На чертеже представлен общий вид термоэлектрического мембранного газоразделительного элемента.

Термоэлектрический мембранный газоразделительный элемент трубчатого типа содержит корпус 1 для охлаждающего потока, внутри которого помещена пористая керамическая (или из другого диэлектрического материала) мембрана 2, гладкий внутренний канал 3 и оребрение на внешней поверхности 4 мембраны 2, термоэлектрическую батарею 5 с холодными спаями 6 и горячими спаями 7, интегрированную внутрь мембраны по всей ее длине.

Термоэлектрический мембранный газоразделительный элемент работает следующим образом.

Внутренняя поверхность пористой керамической мембраны 2 термоэлектрического мембранного газоразделительного элемента охлаждается холодными спаями 6, внешняя оребренная поверхность 4 мембраны нагревается горячими спаями 7 термоэлектрической батареи.

ЭДС к термоэлектрической батарее прикладывается таким образом, чтобы внутренняя поверхность мембраны охлаждалась, а внешняя нагревалась. Осушаемый (очищаемый) газ нагнетается внутрь мембраны, очищенный газ (пермеат) отбирается с противоположной стороны, а концентрат посторонней примеси (ретант) выделяется на внешней поверхности мембраны. Таким образом, со стороны адсорбции примесей образуется низкотемпературная область, а со стороны десорбции пермеата - высокотемпературная, что интенсифицирует тепло- и массообменные процессы.

Оребрение внешней поверхности мембраны обусловлено тем, что количество теплоты, выделяющееся на горячем спае термоэлектрической батареи, значительно превышает количество теплоты, отводимой от осушаемого (очищаемого) газа, несмотря на то, что данная теплота адсорбции полностью используется для десорбции посторонней примеси (влаги) с внешней стороны мембраны. В качестве термоэлектрической батареи используется один или несколько последовательно включенных Пельтье-модулей многослойной структуры, (n-полупроводник>р-полупроводник>проводник>р-полупроводник>спай>n-полупроводник), что делает возможным увеличение расстояния между его горячими и холодными спаями без возрастания тепловых потерь. Данное расстояние зависит от теплопроводности материала мембраны и подбирается на основе компромисса между его максимизацией для уменьшения тепловых притоков по материалу мембраны от горячих спаев к холодным и минимизацией толщины мембраны для уменьшения ее сопротивления потоку пермеата. Управление параметрами процесса разделения на термоэлектрическом мембранном газораспределительном элементе осуществляется изменением величины ЭДС, приложенной к термоэлектрической батареи, и может быть легко автоматизировано.

Исходный газ, содержащий посторонние примеси, нагнетается в гладкий внутренний канал 3 термоэлектрического мембранного газоразделительного элемента, содержащего пористую керамическую мембрану 2, и пройдя по нему, вдоль всего мембранного элемента поступает потребителю (или на дальнейшую очистку).

Примеси адсорбируются на охлаждаемой поверхности гладкого внутреннего канала 3 и под действием перепада давления газа между внутренней и внешней поверхностью мембраны (движимые градиентом концентраций) диффундируют через мембрану к ее внешней оребренной поверхности. Под воздействием высокой температуры внешней поверхности мембраны примеси активно десорбируются и вместе с избыточной теплотой уносятся потоком охлаждающего газа, отбираемого из канала образованного внешней оребренной поверхностью мембраны 2 и корпусом 1, при помощи вентилятора или вакуумного насоса (не показаны). В результате этого концентрация примесей в газе по мере прохождения вдоль гладкого внутреннего канала 3 уменьшается, а извлеченные примеси выводятся из системы, обеспечивая непрерывный режим работы устройства. Величина перепада температур между поверхностью гладкого внутреннего канала 3 и внешней поверхностью мембраны 2 регулируется путем изменения величины ЭДС, прикладываемой к термоэлектрической батарее.

Предлагаемый термоэлектрический мембранный газоразделительный элемент позволяет повысить эффективность очистки технологических газов и производительность, снизить тепловые потери, упростить конструкцию и расширить эксплуатационные возможности.