CN111313760A - 温差发电装置、钢包随动设备以及供电方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了温差发电装置、钢包随动设备以及供电方法，其中温差发电装置包括：壳体，所述壳体为筒状且两端分别为受热端和散热端，所述受热端固定于钢包上，所述散热端背向所述钢包延伸；发电元件，安装在所述壳体内，所述发电元件包括承受温差的冷端和热端，所述热端朝向所述受热端，所述冷端朝向所述散热端；导热柱，安装在所述壳体内且与所述钢包热接触；调温片，夹持固定在所述导热柱远离钢包的一端与所述发电元件的热端之间。本申请公开的技术方案通过利用钢包自身的热能实现电能的获取。温差发电装置能够跟随钢包在生产过程中运动，从而实现对钢包随动设备的全流程、不间断的供电。

Description

温差发电装置、钢包随动设备以及供电方法

技术领域

本申请涉及工业制造领域，特别是涉及温差发电装置、钢包随动设备以及供电方法。

背景技术

随着物联网的发展，工业生产的各个环节对信息的及时性提出了更高的要求。在钢铁生产的过程中，人们希望能够对钢包的状态做到实施的监控，但是其高温并且移动的工况，对监控设备的供能以及通信提出了挑战。

在钢铁生产过程中，高温钢液(1600℃左右)的精炼、运输、静置、浇注等环节都在钢包容器内进行，当盛装钢液后，钢包表面温度处于350-400℃的温度范围。钢包表面的高温为监控设备的供能提供了能量来源的基础。

例如公开号为CN106899236A的中国专利文献提供了一种利用钢包表面余热的热电发电装置，该装置包括保护罩、骨架、上部绝热板、热电系统、下部绝热板和冷却系统；所述骨架为半圆筒型支架；保护罩焊接在骨架上；上部绝热板、热电系统和下部绝热板均通过螺栓固定在骨架上，形成半圆筒形；冷却系统置于热电系统外侧；装置为两个半圆筒形组成。

发明人发现，现有技术如果需要升级为例如上述专利文献的相关技术，需要对钢包进行整体改造，升级成本较高；同时，相关技术中的设备无法保持与钢包的全生产流程接触，也就无法实现对监控设备实现不间断的、稳定的供能。

更重要的是，尽管钢包与周围温度差较大，但是钢包周围的的温度场中温度梯度是较小。就常见的温差发电片的厚度来说，两端的直接温差一般在10摄氏度以内，无法让发电片发电。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请公开了温差发电装置，用于将钢包的热能转换成电能，包括：

壳体，所述壳体为筒状且两端分别为受热端和散热端，所述受热端固定于钢包上，所述散热端背向所述钢包延伸；

发电元件，安装在所述壳体内，所述发电元件包括承受温差的冷端和热端，所述热端朝向所述受热端，所述冷端朝向所述散热端；

导热柱，安装在所述壳体内且与所述钢包热接触；

调温片，夹持固定在所述导热柱远离钢包的一端与所述发电元件的热端之间。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

可选的，所述发电元件为温差发电片，所述冷端和热端的间隔为4～8毫米；

所述受热端的外周面上设有一个或多个连接座、并通过所述连接座固定于所述钢包上。

可选的，所述温差发电装置还包括位于所述散热端的散热装置，所述散热装置包括与所述冷端热接触的散热器和固定在所述散热器上的风扇。

可选的，所述散热端背向所述钢包开放且罩设有防渣网。

可选的，所述壳体内设有固定部，所述固定部中部开设有供所述导热柱穿过的导热孔，所述散热器位于所述固定部背向所述导热柱的一侧，所述散热器和所述固定部之间为温差间隙，所述调温片和所述发电元件安装于所述温差间隙中。

可选的，所述导热柱带有与所述固定部相抵压的定位轴肩，所述固定部和所述散热器通过紧固件相互凑紧，所述导热柱、所述调温片、所述发电元件以及所述散热器在所述壳体的轴向上凑紧。

可选的，所述发电元件安装在所述散热器上，所述散热器上还有与所述发电元件电连接的电源转换器，所述调温片安装于所述固定部背向所述导热柱的一侧，所述导热孔在所述壳体的轴向上的投影位于所述调温片内。

可选的，所述温差发电装置还包括保温层，所述保温层填充于所述导热柱和所述壳体之间。

可选的，所述壳体内还设置有电源转换器，所述电源转换器处在所述散热器背向钢包的一侧；

在电路上，所述发电元件连接所述电源转换器的输入端，所述电源转换器的输出端连接所述风扇用以供电，所述电源转换器的输出端还连接至少一输出接头或输出引线用以向外部设备供电。

可选的，所述调温片为云母片，所述调温片的厚度为1至5毫米。

可选的，所述导热柱外包裹有保温层，所述导热柱与所述钢包接触部位的温度为350至400度，所述导热柱与所述调温片接触部位的温度为250度至300度，所述调温片与所述热端接触部位的温度为200度至250度。

可选的，所述冷端所处位置的环境温度为60度至80度。

本申请还公开了钢包随动设备，包括根据上述技术方案中的温差发电装置和与上位机通信的监控设备，所述温差发电装置用于向所述监控设备供电。

本申请还公开了钢包随动设备的供电方法，包括：

利用导热柱将钢包的热量向远离所述钢包的区域传递；

利用与所述导热柱相接触的调温片在远离所述钢包的区域获得预设的热端温度；

通过与所述调温片接触的发电元件并利用所述热端温度与环境温度之间的温差产生电能；

将所述电能提供至所述钢包随动设备。

可选的，钢包附近为钢包热辐射区，钢包表面温度为350-400度，距离钢包表面500毫米处的空气温度为60-80度，导热柱将钢包表面温度传递至径向距离钢包表面500毫米处以实现温差。

可选的，导热柱的两端温差约为100度。

可选的，发电元件的热端与冷端之间的温差为120-170度。

本申请公开的技术方案通过利用钢包自身的热能实现电能的获取。通过壳体安装各个部件，能够实现较好的整体性，温差发电装置能够跟随钢包在生产过程中运动，从而实现对用电设备的全流程、不间断的供电，为物联网等应用场景提供了实现的基础；

导热柱的设计能够使得克服相关技术中钢包周围的温度场温度梯度较小的问题，使得发电元件两端的温差从原来的个位数的温差增加到三位数的温差，从而保证发电元件的发电效果；

调温片能够根据钢包在不同流程中的温度变化按需调整，从而保证发电元件两端之间的温差在合适的水平，满足全流程供电的设计需要。

具体的有益技术效果将在具体实施方式中结合具体结构或步骤进一步阐释。

附图说明

图1为一实施例中温差发电装置的示意图；

图2为图1中A处放大图；

图3为温差发电装置安装在钢包上的示意图。

图中附图标记说明如下：

10、钢包；101、钢包热辐射区；11、壳体；111、受热端；112、散热端；113、连接座；114、固定部；115、导热孔；12、发电元件；121、热端；122、冷端；13、导热柱；131、导热头；132、定位轴肩；14、调温片；15、温差间隙；151、紧固件；16、保温层；17、电源转换器；18、散热器；181、风扇。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本文提及的温度均为摄氏度。

参考图1和图2，本申请公开了温差发电装置，用于将钢包10的热能转换成电能，包括：

壳体11，壳体11为筒状且两端分别为受热端111和散热端112，受热端111固定于钢包10上，散热端112背向钢包10延伸；

发电元件12，安装在壳体11内，发电元件12包括承受温差的冷端122和热端121，热端121朝向受热端111，冷端122朝向散热端112；

导热柱13，安装在壳体11内且与钢包10热接触；

调温片14，夹持固定在导热柱13远离钢包10的一端与发电元件12的热端121之间。

调温片14的作用在于通过自身厚度来调整导热柱13和热端121之间的热传导效率，从而调整热端121的温度。在生产中，根据实际测量，距离钢包500毫米左右的位置，空气温度大约为60-80度。本实施例中的技术方案通过导热柱13将钢包10表面的高温传递至大约距离钢包450毫米的位置，从而能够在在发电元件12的冷端122和热端121之间形成至少150度以上的温差，从而保证温差发电的效果。

调温片14从功能上还能够起到保护发电元件14的作用，目前温差发电片一类的发电元件14最高工作温度一般在200-250左右，调温片14能够将热端121的温度控制在发电元件14允许的最高温度范围内。

温差发电的效率实际上与温差的大小有关。温差越大发电效率越高，但同时也会对发电元件12以及相应的设备产生影响。在一实施例中，导热柱13外包裹有保温层16，导热柱13与钢包10接触部位的温度为350至400度，导热柱13与调温片14接触部位的温度为250度至300度，调温片14与热端121接触部位温度为200度至250度。

相应的，在一实施例中，冷端122所处位置的环境温度为60度至80度。

实际钢包10表面的温度会因为不同的生产工艺或者在不同的生产环节中发生变化，为了保证发电元件12两端的温差，需要一个调节机制。调温片14能够很好的主动控制导热柱13传递至热端121的热量。当调温片14自身厚度较厚时，热传导效率较低，能够降低热端121的温度；当调温片14自身厚度较薄时，热传导效率较高，能够提高热端121的温度。

相较于其他形式的温差发电装置，本实施例中公开的技术方案能够随着钢包10运动，从而实现全流程、不间断的对用电设备功能，扩展使用场景。

钢包10热量的传导依靠于导热柱13和钢包10的有效热接触。在一实施例中，受热端111的外周面上设有一个或多个连接座113，并通过连接座113固定于钢包10上。

连接座113与钢包10的固定连接可以保证壳体11的安装效果，这点在钢铁制造领域非常重要，在本实施例中，可以选择通过焊接的形式实现固定连接。连接座113与壳体11为可拆卸连接，能够方便温差发电装置的维护，具体的，可以选择螺栓连接。

在保证受热的同时，发电元件12还需要保证良好的散热。在一实施例中，温差发电装置还包括位于散热端112的散热装置，散热装置包括与冷端122热接触的散热器18和固定在散热器18上的风扇181。

散热器18和风扇181能够通过风冷的形式保证冷端122接近环境温度，从而保证温差来持续输出电能。

在钢铁制造领域，钢包10需要进行倾倒等操作，飞溅的钢水以及钢渣可能会对温差发电装置造成影响。在一实施例中，散热端112背向钢包10开放且罩设有防渣网。防渣网在阻隔外界杂质可能造成的影响的同时能够保证气流的流通，从而保证冷端122的温度。该设计是针对于本实施例中温差发电装置需要保证与钢包10的全流程特点来设计的，在相关技术中，可以通过避免温差发电装置参与相关环节来规避该问题。因此防渣网虽然结构简单，但是起到了有效的防护效果。通过壳体11在形态上也可以进行相应的优化，来避免钢渣等异物对壳体11内部的部件造成的影响。在防渣网的厚度和材质的选择上，可以选择采用2毫米厚的不锈钢网，兼顾通风与抗砸。经过多次试验，2毫米厚的不锈钢网可以经受各个工位的恶劣工况。

在内部部件的安装关系上，在一实施例中，壳体11内设有固定部114，固定部114中部开设有供导热柱13穿过的导热孔115，散热器18位于固定部114背向导热柱13的一侧，散热器18和固定部114之间为温差间隙15，调温片14和发电元件12安装于温差间隙15之间。

温差间隙15是发电元件12的安装位置。实际上，温差间隙15的大小并非固定，调温片14的厚度变化可能会引起温差间隙15的大小的变化。通过固定部114，能够将导热柱13的热量充分传递至调温片14以及发电元件12上。因此从原理上看，固定部114还需要有一定的隔热效果，避免导热柱13的热量从温差间隙15释放至散热器18上。

在调温片14的具体设置上，在一实施例中，调温片14为云母片且在钢包10的径向上的厚度为1至5毫米。

固定部114除了隔热的作用外，还有定位的功能。在一实施例中，导热柱13与热端121热接触的一端包括探入导热孔115内的导热头131和抵压在固定部114上的定位轴肩132，固定部114和散热器18通过紧固件151相互凑紧，导热头131、调温片14、发电元件12以及散热器18在壳体11的轴向上凑紧。

通过导热孔115和导热头131的配合，以及定位轴肩132和固定部114的抵压，能够保证导热柱13与固定部114的相对位置。导热头131是实际上与调温片14热接触的部位，因此需要较高的定位精度。该设计能够减少装配误差对温差发电装置的影响。

紧固件151能够施加作用力，在实现导热头131、调温片14、发电元件12以及散热器18在壳体11的轴向上凑紧的过程中提高热传导效率，同时还能够实现对各部件的定位和装配，提高稳定性。

在散热器18的设计上，在一实施例中，发电元件12安装在散热器18上，散热器18上还有与发电元件12电连接的电源转换器17，调温片14安装于固定部114背向导热柱13的一侧，导热孔115在壳体11的轴向上的投影位于调温片14内。

在电源转换器17的具体设置上，在一实施例中，壳体11内还设置有电源转换器17，电源转换器17处在散热器18背向钢包10的一侧；

在电路上，发电元件12连接电源转换器17的输入端，电源转换器17的输出端连接风扇181用以供电，电源转换器17的输出端还连接至少一输出接头或输出引线用以向外部设备供电。

风扇181的电源来自发电元件的12优点是能够保证发电元件12的散热，当发电元件12工作时，风扇181就能自动开启，保证发电效率和安全的同时，还能提高温差发电装置的自动化，减少人工操作步骤。

调温片14从结构上还起到了垫片的作用，能够减少制造、装配误差带来的影响，确保导热柱13的热量能稳定的输送至热端121。

为了提高导热柱13的传热效果，在一实施例中，温差发电装置还包括保温层16，保温层16填充于导热柱13和壳体11之间。

从空间上看，保温层16为筒形，外侧为壳体11，内部包裹着导热柱13，两端开放以实现热接触。同时保温层16还能为导热柱13提供定位的效果，减少运动过程中导热柱13的位移。

本申请还公开了钢包随动设备，包括根据上述技术方案中的温差发电装置和与上位机通信的监控设备，温差发电装置用于向监控设备供电。

下面示例性的给出一种温差发电装置的实施细节，并且结合具体结构阐释温差发电装置的工作过程：

温差发电装置工作姿态可能为图1中旋转至任一角度，例如逆时针旋转90度后，将受热端111贴靠至钢包10表面。壳体11采用耐高温隔热材料制成，整体轴向长度(即图1中的高度)大约为450至500毫米，整体宽度为200至300毫米。

壳体11在钢包10的径向上延伸，因此壳体11的长度(相较于钢包10表面的突出高度)越长，在钢包周围的温度场跨越的温度梯度越多，发电元件14能够获得的温差越大，也就能够更高效的发电。相应的，壳体11相较于钢包10表面的突出，壳体11的长度越长会对钢包的运行过程造成影响，与其他工件或者设备干涉的可能就越大，经过多次试验和兼顾多工况的需求后，壳体14整体轴向长度(即图1中的高度)大约为450至500毫米。该长度在保证发电元件14的发电效果的同时，尽可能的避免自身对钢包10正常运行的影响。

壳体11在整体形状上内部中空，两端开放。

壳体11设计为耐高温隔热箱体能够起到以下技术效果：

配合保温层16给导热柱13保温，保证足够的热量导入至热端121；

耐砸耐高温，保护温差发电装置整体在各种工况下不受损坏。钢包10运行过程很复杂，历经各个工位，有注钢水，倒钢水等工位。这些工位经常有钢水飞溅到温差发电装置，同时也有可能钢渣砸到温差发电装置，耐高温隔热的壳体11能够有效防护上述情况。

导热柱13采用铝柱，朝向钢包10的一侧用于承受钢包10表面大概350至400度的高温，并在保温层16的包裹下传递至导热头131，导热头131上温度大概为250至300度。调温片14采用云母片，两面分别于导热头131和热端121热接触。调温片14与热端接121触部位的温度为200度至250度。在散热端112的环境温度大约为60至80度，在散热装置的帮助下，冷端122的温度大约为60至80度，从而实现冷端122和热端121大约150度左右的温差，实现温差发电。

参考图1至3，本申请还公开了钢包随动设备的供电方法，包括：

利用导热柱将钢包的热量向远离钢包的区域传递；

利用与导热柱相接触的调温片在远离钢包的区域获得预设的热端温度；

通过与调温片接触的发电元件并利用热端温度与环境温度之间的温差产生电能；

将电能提供至钢包随动设备。

本申请供电方法可利用前述各实施例的温差发电装置。

在一实施例中，钢包10附近为钢包热辐射区101，钢包10表面温度为350-400度，距离钢包10表面500毫米处的空气温度为60-80度，导热柱13将钢包10表面温度传递至径向距离钢包10表面500毫米处以实现温差。

本领域技术人员容易想到是，钢包10表面的高温和空气环境的温差具有发电的潜力，但是在实际生产中需要克服以下技术问题：

以生产数据为例，钢包10内部的钢水温度大约在1600度，钢包10直径大约为4600毫米，在钢包10周围为钢包热辐射区101，发电元件12选取温差发电片，温差发电片的冷端和热端的间隔为4～8毫米。在钢包热辐射区101内，钢包10外侧(即表面)温度大约为350-400度，在径向上距离钢包10大约500毫米处的空气温度大约为70度左右，与钢包10之间温差达300度左右。理论上这个温差足以驱动温差发电片(即发电元件12)发电，但实际测试后发现，钢包热辐射区101在200度等梯度线附近(即发电元件12理想热端温度)的区域温度变化梯度很小，大约为6度/10毫米。温差发电片的冷端和热端的间隔取值5毫米左右，计算直接温差仅为3度左右。3度温差是几乎没有发电效率的。

因此在本实施例中，通过导热柱13将钢包10外壁的高温(350-400度)导引至径向400毫米外面，从而提高温差发电片两侧的温差，提高发电效率。

尽管导热柱13在理论上具有较好的导热性，但是实际中还是出现热损失。

在一实施例中，导热柱13的两端温差约为100度。

该设计能够保证导热柱13靠近热端121的端面温度保持在250-300度左右从而保证温差来提高发电元件12的发电效率。

由于温差发电片最高耐受温度通常大约为250度。为保证温差发电片不损坏以及长期的稳定运行，必须将其热端121温度控制在200-250度左右。为此，在导热柱13和热端121之间设计了调温片14来调节温度。在冷端122用散热器18和风扇181进行散热，把冷端122温度控制在80度左右(即环境温度左右)。

在一实施例中，发电元件12的热端121与冷端122之间的温差为120-170度。该温差能够保证发电元件12自身安全的情况下提高发电效率，从而能够长期稳定高效发电。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。不同实施例中的技术特征体现在同一附图中时，可视为该附图也同时披露了所涉及的各个实施例的组合例。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.温差发电装置，用于将钢包的热能转换成电能，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体为筒状且两端分别为受热端和散热端，所述受热端固定于钢包上，所述散热端背向所述钢包延伸；

发电元件，安装在所述壳体内，所述发电元件包括承受温差的冷端和热端，所述热端朝向所述受热端，所述冷端朝向所述散热端；

导热柱，安装在所述壳体内且与所述钢包热接触；

调温片，夹持固定在所述导热柱远离钢包的一端与所述发电元件的热端之间。

2.根据权利要求1所述的温差发电装置，其特征在于，所述发电元件为温差发电片，所述冷端和热端的间隔为4～8毫米；

所述受热端的外周面上设有一个或多个连接座、并通过所述连接座固定于所述钢包上。

3.根据权利要求1所述的温差发电装置，其特征在于，所述调温片为云母片；所述调温片的厚度为1至5毫米。

4.根据权利要求1所述的温差发电装置，其特征在于，所述温差发电装置还包括位于所述散热端的散热装置，所述散热装置包括与所述冷端热接触的散热器和固定在所述散热器上的风扇；所述散热端背向所述钢包开放且罩设有防渣网。

5.根据权利要求4所述的温差发电装置，其特征在于，所述壳体内设有固定部，所述固定部中部开设有供所述导热柱穿过的导热孔，所述散热器位于所述固定部背向所述导热柱的一侧，所述散热器和所述固定部之间为温差间隙，所述调温片和所述发电元件安装于所述温差间隙中。

6.根据权利要求5所述的温差发电装置，其特征在于，所述导热柱带有与所述固定部相抵压定位轴肩；

所述导热柱、所述调温片、所述发电元件以及所述散热器在所述壳体的轴向上凑紧。

7.根据权利要求4所述的温差发电装置，其特征在于，所述壳体内还设置有电源转换器，所述电源转换器处在所述散热器背向钢包的一侧；

在电路上，所述发电元件连接所述电源转换器的输入端，所述电源转换器的输出端连接所述风扇用以供电，所述电源转换器的输出端还连接至少一输出接头或输出引线用以向外部设备供电。

8.根据权利要求1所述的温差发电装置，其特征在于，所述导热柱外包裹有保温层，所述导热柱与所述钢包接触部位的温度为350至400度，所述导热柱与所述调温片接触部位的温度为250度至300度，所述调温片与所述热端接触部位的温度为200度至250度。

9.钢包随动设备，其特征在于，包括根据权利要求1至8任一项所述的温差发电装置和与上位机通信的监控设备，所述温差发电装置用于向所述监控设备供电。

10.钢包随动设备的供电方法，其特征在于，包括：

利用导热柱将钢包的热量向远离所述钢包的区域传递；

利用与所述导热柱相接触的调温片在远离所述钢包的区域获得预设的热端温度；

通过与所述调温片接触的发电元件并利用所述热端温度与环境温度之间的温差产生电能；

将所述电能提供至所述钢包随动设备。

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