ES2921483A1 - Thermoelectric module for the use of residual heat and industrial processes monitoring system (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Módulo termoeléctrico para el aprovechamiento del calor residual y sistema de monitorización de procesos industrialesThermoelectric module for the use of residual heat and industrial process monitoring system
Sector técnico de la invenciónTechnical sector of the invention
La presente invención se refiere un módulo termoeléctrico para el aprovechamiento del calor residual especialmente adaptado para instalarse sobre tuberías o superficies industriales, las cuales actúan como fuente de calor. Siendo así, también se presenta un nuevo sistema de monitorización de procesos industriales para el mantenimiento predictivo aprovechando el calor residual mediante el citado módulo termoeléctrico.The present invention refers to a thermoelectric module for the use of residual heat, specially adapted to be installed on pipes or industrial surfaces, which act as a heat source. Thus, a new industrial process monitoring system for predictive maintenance is also presented, taking advantage of residual heat through the aforementioned thermoelectric module.
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention
Durante muchos años se ha abusado de los combustibles fósiles como medio para la obtención de energía dando lugar a consecuencias severas como el calentamiento global del mundo que habitamos. Los combustibles fósiles son finitos y para su obtención, extracción, transformación o explotación se generan entre otros inconvenientes, emisiones de gases nocivos para el medio ambiente y los seres vivos.Fossil fuels have been abused for many years as a means of obtaining energy, leading to severe consequences such as global warming of the world we inhabit. Fossil fuels are finite and to obtain, extract, transform or exploit them, among other inconveniences, emissions of gases harmful to the environment and living beings are generated.
En la actualidad, los seres humanos se están concienciando cada vez más sobre la necesidad de proteger el medio ambiente, investigando y desarrollando otras fuentes de energía, como las fuentes de energías renovables. Además de, por ejemplo, usar de un modo más inteligente y sostenible la energía, evitando despilfarros de consumo, haciendo más eficientes los equipos para consumir menos; se empiezan a implantar este tipo de fuentes renovables como la energía solar, la eólica, geotérmica y otras.Nowadays, human beings are becoming more and more aware of the need to protect the environment, researching and developing other energy sources, such as renewable energy sources. In addition to, for example, using energy in a more intelligent and sustainable way, avoiding wasteful consumption, making equipment more efficient to consume less; This type of renewable sources such as solar energy, wind power, geothermal energy and others are beginning to be implemented.
Entre este tipo de desarrollos para optimizar los recursos enérgicos, una de las tecnologías emergentes, hoy en día, y que aborda la presente invención es la termoelectricidad. Como su nombre indica, la termoelectricidad es una rama de la física en la que se estudia la transformación directa de energía térmica a eléctrica o viceversa. Aunque ya hace años, más de 180 años atrás, que se descubrió, ahora recobra más interés por su aplicación y explotación para la optimización de recursos energéticos.Among this type of developments to optimize energy resources, one of the emerging technologies, today, and addressed by the present invention is thermoelectricity. As its name indicates, thermoelectricity is a branch of physics in which the direct transformation of thermal energy to electrical energy or vice versa is studied. Although it was discovered years ago, more than 180 years ago, it is now regaining more interest in its application and exploitation for the optimization of energy resources.
Principalmente, el interés de la termoelectricidad es debido a su capacidad de convertir el calor residual en energía eléctrica susceptible de ser fuente de energía para otros usos. El calor residual es aquel que se desperdicia de algún proceso industrial o no y que no es aprovechado posteriormente, sino que es emitido al medio ambiente. Posee una utilidad a priori menor que la fuente de energía original y se puede considerar un calor de bajo nivel energético y aquí es donde la termoelectricidad se plantea como una prometedora tecnología para recuperar el calor perdido y aumentar el rendimiento.Mainly, the interest of thermoelectricity is due to its ability to convert residual heat into electrical energy that can be a source of energy for other uses. Residual heat is the one that is wasted from some industrial process or not and that is not used later, but is emitted into the environment. It has a priori lower utility than the original energy source and can be considered a low energy level heat and this is where thermoelectricity is considered as a promising technology to recover lost heat and increase performance.
El pionero de la termoelectricidad fue el científico alemán Thomas Johann Seebeck (1770 1831). En 1822 resumió los resultados de sus experimentos en el artículo "The Magnetic Polarization of Metal and Ores Produced by Temperature Difference”. Seebeck experimentó cómo la aguja de una brújula se desviaba si se colocaba en los alrededores de un circuito cerrado formado por dos conductores cuando una de sus uniones era calentada. Erróneamente concluyó que la interacción era debida a un fenómeno magnético, y continuando con esta creencia, intentó relacionar el magnetismo de la tierra con la diferencia de temperatura entre el ecuador y los polos. Aunque no consiguió definir correctamente el efecto, Seebeck investigó el fenómeno en un gran número de materiales, incluyendo algunos de los que hoy conocemos como semiconductores.The pioneer of thermoelectricity was the German scientist Thomas Johann Seebeck (1770 1831). In 1822 he summarized the results of his experiments in the article "The Magnetic Polarization of Metal and Ores Produced by Temperature Difference". Seebeck experienced how the needle of a compass deflected if it was placed in the vicinity of a closed circuit formed by two conductors when one of their joints was heated. He erroneously concluded that the interaction was due to a magnetic phenomenon, and continuing with this belief, he tried to relate the magnetism of the earth to the difference in temperature between the equator and the poles. Although he was unable to correctly define the effect, Seebeck investigated the phenomenon in a large number of materials, including some of those we now know as semiconductors.
Años más tarde, el efecto Peltier fue descubierto en 1834, este es el efecto complementario del efecto Seebeck. Este efecto ocurre cuando una corriente pasa a través de un circuito con dos conductores distintos; dependiendo de la dirección de la corriente, la unión de los dos conductores puede liberar calor o absorber calor. Este efecto fue descubierto por el físico francés Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845). Como Seebeck, Peltier interpretó mal los resultados de su investigación ya que falló en la evaluación de los fundamentos de sus observaciones o en relacionar el efecto a los hallazgos de Seebeck. Solo en 1838 Emily Lenz (1804-1865) probó que el efecto Peltier era un fenómeno físico autónomo, que consistía en liberar o absorber calor adicional en la unión de los conductores cuando una corriente pasaba a través de ellos y lo demostró congelando agua y volviendo a derretir el hielo al revertir la dirección de la corriente.Years later, the Peltier effect was discovered in 1834, this is the complementary effect of the Seebeck effect. This effect occurs when a current passes through a circuit with two different conductors; depending on the direction of the current, the junction of the two conductors can either release heat or absorb heat. This effect was discovered by the French physicist Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845). Like Seebeck, Peltier misinterpreted the results of his research by failing to assess the basis for his observations or to relate the effect to Seebeck's findings. Only in 1838 did Emily Lenz (1804-1865) prove that the Peltier effect was an autonomous physical phenomenon, consisting of releasing or absorbing additional heat at the junction of conductors when a current passed through them, and she demonstrated this by freezing water and returning melt the ice by reversing the direction of the current.
20 años más tarde, William Thomson escribió una exhaustiva explicación de los efectos Seebeck y Peltier y describió la relación entre estos. Además, predijo la existencia de un tercer efecto termoeléctrico, el efecto Thomson, que secuenció observando experimentalmente.Twenty years later, William Thomson wrote a comprehensive explanation of the Seebeck and Peltier effects and described the relationship between them. Furthermore, he predicted the existence of a third thermoelectric effect, the Thomson effect, which he sequenced by observing experimentally.
Este efecto relaciona el calentamiento o enfriamiento en un conductor homogéneo en presencia de un gradiente de temperatura cuando una corriente lo atraviesa.This effect relates the heating or cooling in a homogeneous conductor in the presence of a temperature gradient when a current passes through it.
Los descubrimientos desencadenaron el desarrollo de un nuevo campo de la ingeniería, la ingeniería de la energía térmica, que estudia los procesos de conversión de energía térmica en energía eléctrica (Efecto Seebeck;) y la calefacción y refrigeración termoeléctricas (Efecto Peltier).The discoveries triggered the development of a new field of engineering, thermal energy engineering, which studies the processes of converting thermal energy into electrical energy (Seebeck Effect;) and thermoelectric heating and cooling (Peltier Effect).
A mitad del siglo XX, la termoelectricidad resurge debido al descubrimiento de semiconductores sintéticos con coeficientes de Seebeck elevados. Pero los semiconductores no mejoraban en comparación con los metales, por lo que el interés decayó. No fue hasta los 50, donde se obtienen semiconductores compuestos, obteniendo mejoras termoeléctricas y estimulando las posibles aplicaciones militares.In the middle of the 20th century, thermoelectricity resurfaces due to the discovery of synthetic semiconductors with high Seebeck coefficients. But semiconductors were no better than metals, so interest waned. It was not until the 1950s, where compound semiconductors were obtained, obtaining thermoelectric improvements and stimulating possible military applications.
A principio de los años 60, la exploración espacial, así como la exploración de recursos terrestres en lugares hostiles, requirió fuentes de energía eléctrica autónomas. La termoelectricidad se presenta como una tecnología ideal para estos casos, ya que la ausencia de partes móviles, su fiabilidad y su operación silenciosa contrarresta su coste relativamente alto y su baja eficiencia. Por ello, se desarrollaron generadores alimentados por radioisótopos para el programa espacial Apolo y para comunicaciones con la luna, de los que derivarían la mayoría de los materiales utilizados en la mayoría de los generadores comerciales actuales. In the early 1960s, space exploration, as well as exploration of terrestrial resources in hostile locations, required autonomous electrical power sources. Thermoelectricity is presented as an ideal technology for these cases, since the absence of moving parts, its reliability and its silent operation offset its relatively high cost and low efficiency. For this reason, generators powered by radioisotopes were developed for the Apollo space program and for communications with the moon, from which most of the materials used in most current commercial generators would be derived.
En la actualidad ha habido un gran incremento en la investigación termoeléctrica debido a la búsqueda de alternativas energéticas para la producción en escala. Hoy en día se fabrican generadores termoeléctricos (conocidos como TEG por su sigla en inglés: Thermo Electric Generator) con diversos materiales semiconductores y con resultados variados.Currently there has been a great increase in thermoelectric research due to the search for energy alternatives for scale production. Today, thermoelectric generators (known as TEGs) are made from a variety of semiconducting materials with varying results.
Un generador termoeléctrico está compuesto por uno o varios módulos termoeléctricos. Los módulos termoeléctricos o celdas Peltier (nombre comercial) convierten directamente calor en electricidad. El calor induce la circulación de una corriente eléctrica al fluir desde una fuente de calor a través del generador termoeléctrico (termogenerador). A thermoelectric generator is made up of one or several thermoelectric modules. Thermoelectric modules or Peltier cells (trade name) directly convert heat into electricity. Heat induces the circulation of an electrical current by flowing from a heat source through the thermoelectric generator (thermogenerator).
Para generar electricidad mediante el efecto termoeléctrico se necesita una celda Peltier y un diferencial de temperatura entre ambas caras de la misma. Dado que la circulación de corriente también genera calor, las fuentes calientes y frías tienen que aportar y disipar calor continuamente para mantener esa diferencia.To generate electricity through the thermoelectric effect, a Peltier cell and a temperature differential between both sides of it are needed. Since current flow also generates heat, hot and cold sources have to continuously supply and dissipate heat to maintain that difference.
Una celda Peltier está formada por dos placas cerámicas que sirven como base de los termopares o termoelementos tipo P y tipo N de materiales semiconductores, además proporciona estabilidad mecánica y sirve como aislante eléctrico.A Peltier cell is made up of two ceramic plates that serve as the base of the P-type and N-type thermocouples or thermoelements of semiconductor materials, also provides mechanical stability and serves as an electrical insulator.
Un módulo convencional está formado de varios pares termoeléctricos (elementos semiconductores con dopaje P y N), conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo en donde quedan huecos libres, quedando ambos semiconductores conectados a través de uniones metálicas de alta conductividad eléctrica. Una celda Peltier está formada por 100 y 600 termoelementos.A conventional module is made up of several thermoelectric pairs (semiconductor elements with P and N doping), electrically connected in series and thermally in parallel where there are free gaps, leaving both semiconductors connected through metallic bonds with high electrical conductivity. A Peltier cell is made up of 100 and 600 thermoelements.
Estos módulos son silenciosos, no presentan partes móviles y no precisan de mantenimiento. Además, su tamaño y peso son bajos y pueden utilizarse para un amplio rango de temperaturas. Sin embargo, presentan una desventaja importante, su baja eficiencia.These modules are silent, have no moving parts and do not require maintenance. In addition, its size and weight are low and can be used for a wide range of temperatures. However, they present an important disadvantage, their low efficiency.
Esta eficiencia está ligada a los materiales semiconductores que forman los pares termoeléctricos y hoy en día se investiga para su mejora, pero el proceso es lento. Por ello, para incrementar el rendimiento se tiene que optimizar los sistemas de intercambio de calor que se encuentran en ambas caras de la celda para aumentar la potencia eléctrica generada. Esto se logra en parte conforme la temperatura del foco frio o de calor sean similares a las temperaturas de las fuentes de origen.This efficiency is linked to the semiconductor materials that form the thermoelectric couples and research is currently being carried out to improve it, but the process is slow. Therefore, to increase performance, the heat exchange systems found on both sides of the cell must be optimized to increase the electrical power generated. This is achieved in part as the temperature of the hot or cold source is similar to the source temperatures.
Teniendo en cuenta el estado de la técnica actual, es objetivo de la presente invención conseguir un módulo termoeléctrico que sea capaz de generar la energía suficiente para alimentar dispositivos electrónicos o sensores industriales aprovechando el calor residual de la propia máquina o proceso que se desea monitorizar.Taking into account the current state of the art, the objective of the present invention is to achieve a thermoelectric module that is capable of generating enough energy to power electronic devices or industrial sensors, taking advantage of the residual heat of the machine or process itself that is to be monitored.
Otro objetivo de la presente invención es la de ofrecer un nuevo sistema de monitorización de procesos industriales para el mantenimiento predictivo aprovechando el calor residual mediante el módulo termoeléctrico descrito en la presente invención.Another objective of the present invention is to offer a new industrial process monitoring system for predictive maintenance taking advantage of residual heat by means of the thermoelectric module described in the present invention.
Explicación de la invenciónExplanation of the invention
Con el objeto de aportar una solución técnica para el aprovechamiento del calor industrial, en especial para tuberías industriales, y la creciente necesidad de monitorizar diversos parámetros del funcionamiento de las máquinas y los procesos en la industria; se da a conocer un módulo termoeléctrico para el aprovechamiento del calor residual especialmente adaptado para instalarse sobre tuberías, conductos y superficies de la industria, que comprende al menos unos medios de captación del calor, unos medios de generación de energía y unos medios de disipación del calor. Que con la electrónica asociada que se presentará más adelante permite esta monitorización sin necesidad de cableado ni baterías.In order to provide a technical solution for the use of industrial heat, especially for industrial pipes, and the growing need to monitor various parameters of the operation of machines and processes in the industry; A thermoelectric module for the use of residual heat is disclosed, specially adapted to be installed on pipes, ducts and industrial surfaces, comprising at least some means for capturing heat, some means for generating energy and some means for dissipating heat. heat. That with the associated electronics that will be presented later, allows this monitoring without the need for wiring or batteries.
En esencia, el módulo termoeléctrico se caracteriza porque los medios de captación comprenden al menos un captador de calor formado esencialmente por una pieza prismática de un material conductor térmico adaptado para contactar por una de sus caras con la superficie de una fuente de calor externa al módulo termoeléctrico, como una tubería industrial, los medios de generación de energía, adaptados para la transformación de calor en energía eléctrica, comprenden al menos un generador termoeléctrico cuya base inferior está en contacto con el captador de calor, los medios de disipación del calor comprenden al menos un disipador con una pluralidad de aletas para absorber el máximo calor posible que proviene del generador termoeléctrico al que está acoplado, y se caracteriza porque está provisto además de una base estructural de un material esencialmente plástico que dota al conjunto de rigidez mecánica para actuar de presión al generador termoeléctrico junto con el disipador y la cuál dispone de al menos una abertura mediante la cual el captador de calor es susceptible de contactar con la superficie de la fuente de calor.In essence, the thermoelectric module is characterized in that the capture means comprise at least one heat sensor formed essentially by a prismatic piece of a thermally conductive material adapted to contact the surface of a heat source external to the module on one of its faces. thermoelectric, such as an industrial pipe, the power generation means, adapted for the transformation of heat into electrical energy, comprise at least one thermoelectric generator whose lower base is in contact with the heat collector, the heat dissipation means comprise at least one heat sink with a plurality of fins to absorb the maximum possible heat coming from the thermoelectric generator to which it is coupled, and is characterized in that it is also provided with a structural base of an essentially plastic material that provides the assembly with mechanical rigidity to act as pressure on the thermoelectric generator together with the heat sink and which has at least one opening through which the heat sensor is capable of contacting the surface of the heat source heat.
De forma ventajosa, al disponerse dicho módulo termoeléctrico sobre una tubería o superficie, se consigue aprovechar el calor residual de la misma para la generación de energía eléctrica susceptible de ser utilizada en otros dispositivos. Mediante esta configuración, se consigue que, aunque la superficie de captación de calor sea pequeña en comparación con la superficie del foco de calor, como una tubería industrial, al disponer de la base estructural se protege al disipador de calor del calor irradiante del foco de calor y a su vez funciona como elemento estructural que da fijación a todos los componentes del proceso de generación termoeléctrica, todo ello incrementando la eficiencia energética del conjunto.Advantageously, by placing said thermoelectric module on a pipe or surface, it is possible to take advantage of its residual heat for the generation of electrical energy that can be used in other devices. Through this configuration, it is achieved that, although the heat capture surface is small compared to the surface of the heat source, such as an industrial pipe, having the structural base protects the heat sink from the radiating heat of the heat source. heat and in turn works as a structural element that fixes all the components of the thermoelectric generation process, all of which increases the energy efficiency of the whole.
Según otra característica de la invención, el módulo termoeléctrico se caracteriza porque comprende además al menos una junta térmica entre el disipador y la base estructural. Según una realización preferida, dicha junta térmica tiene al menos un orificio por donde el generador termoeléctrico contacta con el captador de calor.According to another characteristic of the invention, the thermoelectric module is characterized in that it also comprises at least one thermal joint between the heat sink and the structural base. According to a preferred embodiment, said thermal joint has at least one hole through which the thermoelectric generator contacts the heat sensor.
Ventajosamente, mediante esta junta térmica, se consigue una estanqueidad segura una vez se haya montado el generador termoeléctrico. Además de trabajar como elemento de estanqueidad, tiene dos funciones más, por un lado, debe evitar que el calor procedente de la base estructural llegue al disipador y lo contamine empeorando su funcionamiento; y, por otro lado, tiene el objetivo de encuadrar el montaje de dicho generador termoeléctrico y fijar su posición con el captador.Advantageously, by means of this thermal joint, a safe seal is achieved once the thermoelectric generator has been assembled. In addition to working as a sealing element, it has two other functions: on the one hand, it must prevent the heat from the structural base from reaching the heat sink and contaminating it, worsening its operation; and, on the other hand, it has the objective of framing the assembly of said thermoelectric generator and fixing its position with the sensor.
De acuerdo con otra característica de la invención, el módulo termoeléctrico se caracteriza porque el captador de calor está proviso de al menos un reborde perimetral para apoyarse sobre la base estructural. Gracias a este reborde perimetral, se impide que, en el momento de aplicar presión al generador termoeléctrico a través de la base estructural y el disipador, estos sean expulsados por la fuerza aplicada; es decir, funciona además de apoyo como tope.According to another feature of the invention, the thermoelectric module is characterized in that the heat sensor is provided with at least one perimeter rim to rest on the structural base. Thanks to this perimeter rim, it is prevented that, at the moment of applying pressure to the thermoelectric generator through the structural base and the heat sink, these are expelled by the applied force; that is, it works in addition to support as a stop.
Según una realización preferida de la invención, el módulo termoeléctrico se caracteriza porque el generador termoeléctrico tiene al menos una celda Peltier. Dicha celda Peltier consigue a partir de un diferencial de temperatura que se genera entre sus superficies opuestas, la que contacta con el captador y la que contacta con el disipador, una energía térmica que puede convertir en energía eléctrica.According to a preferred embodiment of the invention, the thermoelectric module is characterized in that the thermoelectric generator has at least one Peltier cell. This Peltier cell achieves from a temperature differential that is generated between its opposite surfaces, the one that contacts the sensor and the one that contacts the heat sink, a thermal energy that can be converted into electrical energy.
De acuerdo con otra característica de la invención, la base estructural está dotada de múltiples nervios. Como se avanzaba anteriormente, un componente importante de la invención es la base estructural ya que tiene como objetivo dotar de rigidez mecánica para actuar como sistema de presión al generador eléctrico junto al disipador. Pero por otro lado, no solo actúa como elemento estructural, sino que también tiene la misión de actuar como aislamiento térmico como también se indicaba anteriormente, es por ello que se realiza un diseño con nervios, por un lado, para que soporte los esfuerzos tanto de presión al generador termoeléctrico como la presión a la hora del montaje en la fuente de calor y por otro, crear zonas huecas con presencia de aire para utilizar estos espacios como aislante térmico contra la radiación y convección. According to another feature of the invention, the structural base is provided with multiple ribs. As previously mentioned, an important component of the invention is the structural base, since its objective is to provide mechanical rigidity to act as a pressure system for the electric generator together with the heat sink. But on the other hand, it not only acts as a structural element, but also has the mission of acting as thermal insulation as indicated above, which is why a design with ribs is made, on the one hand, to support the efforts both of pressure to the thermoelectric generator as the pressure at the time of assembly in the heat source and on the other, to create hollow areas with the presence of air to use these spaces as thermal insulation against radiation and convection.
En una realización preferida de la invención, el módulo termoeléctrico se caracteriza porque comprende además al menos dos tornillos insertados por la parte inferior de la base estructural y que disponen de unos topes y unas arandelas que permiten controlar la profundidad, actuando como muelle y aplicando la fuerza requerida para que el generador termoeléctrico permanezca sujeto y en contacto con el disipador al par de fuerza de presión apto para su correcto funcionamiento. Ventajosamente, mediante esta tornillería de presión se consigue reducir la rugosidad superficial entre las caras del generador termoeléctrico y el captador y disipador, respectivamente, mejorando la transferencia calorífica del módulo.In a preferred embodiment of the invention, the thermoelectric module is characterized in that it also comprises at least two screws inserted through the lower part of the structural base and that have stops and washers that allow the depth to be controlled, acting as a spring and applying the force required for the thermoelectric generator to remain attached and in contact with the dissipator at the pressure force torque suitable for its correct operation. Advantageously, by means of this pressure screw, it is possible to reduce the surface roughness between the faces of the thermoelectric generator and the collector and heat sink, respectively, improving the heat transfer of the module.
Según otra característica de la invención, el módulo termoeléctrico se caracteriza porque comprende una caja electrónica susceptible de alojar en su interior la electrónica encargada de gestiona la energía eléctrica procedente del generador termoeléctrico.According to another characteristic of the invention, the thermoelectric module is characterized in that it comprises an electronic box capable of housing inside it the electronics in charge of managing the electrical energy coming from the thermoelectric generator.
Según otro aspecto de la invención, con el objetivo de aportar solución para la monitorización de procesos industriales para el mantenimiento predictivo aprovechando el calor residual, se da a conocer un sistema caracterizado porque comprende al menos un módulo termoeléctrico como el presentado en este mismo apartado con anterioridad, que genera la energía suficiente para alimentar dispositivos electrónicos o sensores industriales de la propia máquina que se quiere monitorizar.According to another aspect of the invention, with the aim of providing a solution for monitoring industrial processes for predictive maintenance taking advantage of residual heat, a system is disclosed characterized in that it comprises at least one thermoelectric module such as the one presented in this same section with previously, which generates enough energy to power electronic devices or industrial sensors of the machine itself that you want to monitor.
De forma ventajosa, se consigue con este sistema de la invención poder monitorizar cualquier máquina sin aportación de energía al utilizarse el calor residual de la propia máquina u otras fuentes residuales del entorno donde se aplica dicho sistema.Advantageously, with this system of the invention it is possible to monitor any machine without supplying energy by using the residual heat of the machine itself or other residual sources of the environment where said system is applied.
Según otra característica de la invención, el sistema se caracteriza porque comprende además un nodo loT para comunicar y transmitir los datos obtenidos del módulo termoeléctrico, dispositivo electrónico o sensor industrial de la propia máquina que se monitoriza.According to another feature of the invention, the system is characterized in that it also comprises an IoT node to communicate and transmit the data obtained from the thermoelectric module, electronic device or industrial sensor of the machine being monitored.
Además, según una realización preferida, se prevé que el sistema comprenda un control analógico de alimentación del SoC, conectando o desconectando la tensión del sistema para cargar una supercapacidad aunque la energía generada sea muy baja, tal como inferior al consumo del funcionamiento de bajo consumo. Ventajosamente, se consigue mediante este sistema una solución muy interesante para el mantenimiento predictivo en entornos industriales, sin precisar el consumo de energía adicional.In addition, according to a preferred embodiment, it is expected that the system comprises an analog control of the SoC power supply, connecting or disconnecting the system voltage to charge a supercapacity even if the energy generated is very low, such as lower than the consumption of the low-power operation. . Advantageously, this system achieves a very interesting solution for predictive maintenance in industrial environments, without requiring additional energy consumption.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva un juego de dibujos en los que se ilustra, a título de ejemplo y no limitativo, un modo de realización del módulo termoeléctrico y el sistema de la invención. En concreto, se representa lo siguiente: la Fig. 1 es una vista esquemática en explosión del módulo termoeléctrico según la invención; la Fig. 2 es una vista esquemática y en perspectiva del módulo termoeléctrico según la invención;In order to complete the description that is being made and in order to facilitate the understanding of the characteristics of the invention, a set of drawings is attached to this description, which illustrates, by way of example and not limitation, a way of realization of the thermoelectric module and the system of the invention. Specifically, the following is represented: Fig. 1 is a schematic exploded view of the thermoelectric module according to the invention; Fig. 2 is a schematic and perspective view of the thermoelectric module according to the invention;
la Fig. 3 es una vista esquemática y en perspectiva según un punto de vista inferior del módulo termoeléctrico de la Fig. 2;Fig. 3 is a schematic and perspective view from a bottom viewpoint of the thermoelectric module of Fig. 2;
la Fig. 4 es una vista esquemática y lateral del módulo termoeléctrico de la Fig. 2;Fig. 4 is a schematic side view of the thermoelectric module of Fig. 2;
la Fig. 5 es una vista esquemática y en perspectiva del módulo termoeléctrico de la Fig. 2 con el módulo de loT del sistema según la invención;Fig. 5 is a schematic and perspective view of the thermoelectric module of Fig. 2 with the loT module of the system according to the invention;
la Fig. 6 es una vista esquemática del sistema según la invención; Fig. 6 is a schematic view of the system according to the invention;
la Fig. 7 es sendas vistas esquemáticas en perspectiva y en sección del captador de calor del módulo termoeléctrico según la invención;Fig. 7 is both schematic perspective and sectional views of the heat sensor of the thermoelectric module according to the invention;
la Fig. 8 son sendas vistas en perspectiva superior, inferior y en sección de la base estructural del módulo termoeléctrico según la invención;Fig. 8 are perspective views from above, below and in section of the structural base of the thermoelectric module according to the invention;
la Fig. 9 es una vista parcial esquemática de la base estructural de la Fig. 8;Fig. 9 is a partial schematic view of the structural base of Fig. 8;
la Fig. 10 es una vista parcial esquemática de la base estructural de la Fig. 8;Fig. 10 is a partial schematic view of the structural base of Fig. 8;
la Fig. 11 son sendas vistas esquemáticas de la junta térmica del módulo termoeléctrico según la invención;Fig. 11 are respective schematic views of the thermal joint of the thermoelectric module according to the invention;
la Fig. 12 son sendas vistas esquemáticas de la celda Peltier que conforman el generador termoeléctrico del módulo termoeléctrico según la invención;Fig. 12 are respective schematic views of the Peltier cell that make up the thermoelectric generator of the thermoelectric module according to the invention;
la Fig. 13 son sendas vistas esquemáticas en perspectiva y parcial instalada en la base estructural de la junta térmica de la caja electrónica del módulo termoeléctrico según la invención;Fig. 13 are respective schematic views in perspective and partial installed on the structural base of the thermal joint of the electronic box of the thermoelectric module according to the invention;
la Fig. 14 son sendas vistas esquemáticas en perspectiva según dos puntos de vista de la caja electrónica del módulo termoeléctrico según la invención;Fig. 14 are respective schematic perspective views according to two points of view of the electronic box of the thermoelectric module according to the invention;
las Figs. 15 y 16 son, respectivamente, sendas vistas esquemáticas en perspectiva de un tornillo según la invención y los tres tornillos instalados en el módulo termoeléctrico del ejemplo de realización según la invención;Figs. 15 and 16 are respectively schematic perspective views of a screw according to the invention and the three screws installed in the thermoelectric module of the example of embodiment according to the invention;
las Figs. 17a, 17b, 17c, 17d, 17e y 17f son sendas vistas esquemáticas que facilitan la comprensión de cómo se montan en la base estructural los medios de captación y los medios de generación del módulo termoeléctrico según la invención;Figs. 17a, 17b, 17c, 17d, 17e and 17f are respective schematic views that facilitate understanding of how the capture means and generation means of the thermoelectric module according to the invention are mounted on the structural base;
las Figs. 18a, 18b y 18c son sendas vistas esquemáticas de los captadores, los captadores con las celdas Peltier y el conjunto con el disipador de calor, respectivamente; yFigs. 18a, 18b and 18c are respective schematic views of the sensors, the sensors with the Peltier cells and the assembly with the heat sink, respectively; Y
las Figs. 19a y 19b son sendas vistas del funcionamiento eléctrico y esquema por bloques del sistema de control.Figs. 19a and 19b are views of the electrical operation and block diagram of the control system.
Descripción detallada de los dibujosDetailed description of the drawings
La Fig. 1 presenta un módulo termoeléctrico 1 según la invención para el aprovechamiento del calor residual especialmente adaptado para instalarse sobre tuberías industriales. Para facilitar la comprensión e identificación de las diferentes partes que componen este nuevo módulo termoeléctrico 1, se ha dibujado de forma esquemática y separando cada pieza. Como se puede observar, el módulo termoeléctrico 1 comprende unos medios de captación del calor 2, unos medios de generación 4 de energía y unos medios de disipación del calor 5.Fig. 1 presents a thermoelectric module 1 according to the invention for the use of residual heat, specially adapted to be installed on industrial pipes. To facilitate the understanding and identification of the different parts that make up this new thermoelectric module 1, it has been drawn schematically and separating each piece. As can be seen, the thermoelectric module 1 comprises heat capture means 2, power generation means 4 and heat dissipation means 5.
En concreto en este módulo termoeléctrico 1, se puede observar que los medios de captación de calor 2 comprenden dos captadores de calor 21 formados esencialmente cada uno de ellos por una pieza prismática de un material conductor térmico, tal como un material metálico, adaptado para contactar por una de sus caras, la superficie plana inferior 24, con la superficie 35 de una fuente calor 3 (en las Figs. 4, 6 y 18c se representa esa fuente de calor 3).Specifically in this thermoelectric module 1, it can be seen that the heat capture means 2 comprise two heat sensors 21, each essentially formed by a prismatic piece of a thermally conductive material, such as a metallic material, adapted to contact on one of its faces, the lower flat surface 24, with the surface 35 of a heat source 3 (in Figs. 4, 6 and 18c that heat source 3 is represented).
Además, los medios de generación 4 de energía del citado módulo termoeléctrico 1 y que están adaptados para la transformación de calor en energía eléctrica, comprenden dos generadores termoeléctricos 41 cuya base inferior 42 está en contacto con el captador 21 (Figs. 16, 18b y 18c).In addition, the power generation means 4 of the aforementioned thermoelectric module 1 and which are adapted to transform heat into electrical energy, comprise two thermoelectric generators 41 whose lower base 42 is in contact with the sensor 21 (Figs. 16, 18b and 18c).
También se puede observar en el módulo termoeléctrico 1 representado en la Fig. 1 que los medios de disipación de calor 5 comprenden un disipador 51 con una pluralidad de aletas 52 para absorber el máximo calor posible que proviene del generador termoeléctrico 41 al que está acoplado. It can also be seen in the thermoelectric module 1 represented in Fig. 1 that the heat dissipation means 5 comprise a heat sink 51 with a plurality of fins 52 to absorb as much heat as possible coming from the thermoelectric generator 41 to which it is coupled.
Complementariamente a dichos medios de captación de calor 2, los medios de generación 4 de energía y los medios de disipación de calor 5, el módulo termoeléctrico 1 está provisto además de una base estructural 6 de un material esencialmente plástico que dota al conjunto (de componentes del citado módulo) de rigidez mecánica para actuar de presión al generador termoeléctrico 41 junto con el disipador 51 y la cuál dispone de dos aberturas 61 mediante las cuales el captador de calor 21 es susceptible de contactar con la superficie 35 de la fuente de calor 3.In addition to said heat capture means 2, the energy generation means 4 and the heat dissipation means 5, the thermoelectric module 1 is also provided with a structural base 6 made of an essentially plastic material that provides the assembly (with components of the aforementioned module) of mechanical rigidity to act as pressure on the thermoelectric generator 41 together with the heat sink 51 and which has two openings 61 through which the heat sensor 21 is capable of contacting the surface 35 of the heat source 3 .
El componente denominado captador de calor 21 de los medios de captación de calor 2 tiene como objetivo capturar el máximo flujo térmico que se produce en el contacto con la fuente calor 3. Este componente permite la transferencia de calor por conducción desde la fuente de calor 3 hasta la superficie plana superior 23 sobre la cual va apoyada la base inferior 42 del generador termoeléctrico 41. En este ejemplo, se configura el módulo termoeléctrico 1 con dos captadores de calor 21 y dos generadores termoeléctricos 41. Cada captador de calor 21 consiste en una pieza de material metálico, como una aleación a base de aluminio, debido a que se necesita un alto coeficiente de transferencia de calor por conducción y los materiales metálicos son los que tienen este valor más alto. Además, esta pieza que forma el captador de calor 21 cuenta con dos alas 25 las cuales son para fijar la pieza a la base estructural 6 a través de dos tornillos 26 para plástico. Por otro lado, como se puede observar también en otras figuras como las Figs. 7, 16, 17c, 18a, 18b y 18c, el captador de calor 21 cuenta con un reborde perimetral 22 que sirve para apoyarse y funcionar como tope sobre la base estructural 6 e impedir que en el momento de aplicar presión a los generadores termoeléctricos 41 a través de la citada base estructural 6 y el disipador 51, estos sean expulsados por la fuerza aplicada. Esta pieza que forma el captador de calor 21 tiene una superficie plana en ambas caras 23, 24 y esto es para que se facilite el montaje y transmisión de calor en superficies planas. De todos modos, se prevé que para el caso de fuentes de calor 3 con superficies que sean tubulares redondas, se cuente con dos agujeros 27 (Figs. 3, 7 y 16) para el acoplamiento de adaptadores, no representados, a este tipo de superficies. Complementariamente y en aras de garantizar la estanqueidad una vez se hayan montado los captadores 21, estos llevan una junta 28 tórica del tipo O-ring para alta temperatura hecha por ejemplo de un polímero inorgánico como podría ser la silicona. La citada junta 28 se acopla por la parte inferior del reborde perimetral 22 como se puede ver en la Fig. 7. La junta tórica actúa como estanqueización estática para la ranura triangular donde se apoya.The component called heat collector 21 of the heat collection means 2 has the objective of capturing the maximum thermal flux that occurs in contact with the heat source 3. This component allows the transfer of heat by conduction from the heat source 3 up to the upper flat surface 23 on which the lower base 42 of the thermoelectric generator 41 rests. In this example, the thermoelectric module 1 is configured with two heat collectors 21 and two thermoelectric generators 41. Each heat collector 21 consists of a piece of metallic material, such as an aluminum-based alloy, because a high conduction heat transfer coefficient is needed and metallic materials have this highest value. In addition, this piece that forms the heat sensor 21 has two wings 25 which are to fix the piece to the structural base 6 through two screws 26 for plastic. On the other hand, as can also be seen in other figures such as Figs. 7, 16, 17c, 18a, 18b and 18c, the heat collector 21 has a perimeter rim 22 that serves to rest and function as a stop on the structural base 6 and prevent the thermoelectric generators 41 from applying pressure. through the mentioned structural base 6 and the dissipator 51, these are expelled by the applied force. This piece that forms the heat sensor 21 has a flat surface on both faces 23, 24 and this is to facilitate assembly and heat transmission on flat surfaces. In any case, it is anticipated that in the case of heat sources 3 with round tubular surfaces, there will be two holes 27 (Figs. 3, 7 and 16) for coupling adapters, not shown, to this type of surfaces. In addition, and in order to guarantee sealing once the sensors 21 have been assembled, they have a high-temperature O-ring type O-ring 28 made, for example, of an inorganic polymer such as silicone. Said gasket 28 is coupled at the bottom of the perimeter rim 22 as can be seen in Fig. 7. The O-ring acts as a static seal for the triangular groove where it rests.
El componente denominado generador termoeléctrico 41 de los medios de generación 4 de energía, que está provisto de dos celdas Peltier 41’, tienen como objetivo convertir la energía térmica en energía eléctrica a partir del diferencial de temperatura que se produce entre ambas superficies de dichas celdas Peltier 41'. Es decir, el efecto Peltier absorberá calor del lado caliente que está en contacto con el captador de calor 21 y lo disipará por el lado frío que está en contacto con el disipador 51. Este flujo de calor dependerá del tipo de celda escogida. De un modo en sí conocido, y como se describe de forma breve en los antecedentes de la presente invención, ese flujo de calor produce un efecto Joule y combinado con el efecto Thomson, se origina el efecto Seebeck apareciendo una fuerza electromotriz que genera una corriente eléctrica y por ende la energía eléctrica que se pretende del calor residual de esta fuente de calor 3. Para el ejemplo aquí representado, se ha seleccionado una celda Peltier 41' provista de dos placas cerámicas Al2O3, pellets de material BiTe3, conductor de aluminio, dos cables de teflón negro y rojo, y silicona perimetral como junta de estanqueidad. El número total de termopares presentes en este generador termoeléctrico 41 son una cantidad de 199 termopares (398 pellets).The component called thermoelectric generator 41 of the power generation means 4, which is provided with two Peltier cells 41', are intended to convert thermal energy into electrical energy from the temperature differential that occurs between both surfaces of said cells Peltier 41'. That is, the Peltier effect will absorb heat from the hot side that is in contact with the heat collector 21 and will dissipate it from the cold side that is in contact with the heat sink 51. This heat flow will depend on the type of cell chosen. In a way known in itself, and as briefly described in the background of the present invention, this heat flow produces a Joule effect and combined with the Thomson effect, the Seebeck effect is originated, appearing an electromotive force that generates a current and therefore the electrical energy that is intended from the residual heat of this heat source 3. For the example shown here, a Peltier cell 41' provided with two Al2O3 ceramic plates, BiTe3 material pellets, aluminum conductor, two black and red Teflon cables, and perimeter silicone as a sealing gasket. The total number of thermocouples present in this thermoelectric generator 41 is a quantity of 199 thermocouples (398 pellets).
El componente denominado disipador 51 de los medios de disipación de calor 5 tiene como objetivo absorber el máximo calor posible que proviene de la fuente con mayor temperatura, que en este caso es la superficie caliente del generador termoeléctrico 41, es decir, la superficie superior de las celdas Peltier 41’, y transferir al entorno este calor que en este caso es el aire o atmosfera industrial 34. Para hacer posible este proceso, es necesario que el material del disipador 51 tenga una buena conducción térmica y la existencia de una pluralidad de aletas 52, en este caso rectas, aunque podrían ser onduladas para aumentar la superficie de contacto con el entorno, permitiendo una eliminación más rápida del calor excedente por medio de una convección natural. El disipador 51 utilizado en el ejemplo aquí descrito está diseñado para tener una orientación horizontal o con las aletas en vertical considerando que las aletas deben tener la misma dirección que la del flujo de aire. Se prevé que este disipador 51 tenga tres agujeros roscados para ejercer la presión sobre las celdas Peltier 41 ’. Se contempla que pueda ser fabricado de una aleación de aluminio y sea anodizado natural para la protección superficial contra condiciones adversas.The component called dissipator 51 of the heat dissipation means 5 has the objective of absorbing the maximum possible heat that comes from the source with the highest temperature, which in this case is the hot surface of the thermoelectric generator 41, that is, the upper surface of the Peltier cells 41', and transfer this heat to the environment, which in this case is the air or industrial atmosphere 34. To make this process possible, it is necessary that the material of the heat sink 51 has good thermal conduction and the existence of a plurality of fins 52, in this case straight, although they could be corrugated to increase the contact surface with the environment, allowing a faster elimination of excess heat by means of natural convection. The heatsink 51 used in the example described here is designed to have a horizontal orientation or with the fins vertical, considering that the fins must have the same direction as the air flow. This heatsink 51 is expected to have three threaded holes to exert pressure on the Peltier cells 41'. It is contemplated that it may be made from an aluminum alloy and be natural anodized for surface protection against adverse conditions.
Todos estos componentes se soportan mediante la base estructural 6 que como se ha avanzado con anterioridad dota al conjunto de rigidez mecánica para actuar de presión a las celdas Peltier 41’ junto con el disipador 51. Por otro lado, no solo actúa como elemento estructural, también tiene la misión de actuar como aislamiento térmico. Esto se debe a que la fuente de calor 3 emite calor en forma de radiación y convección y podría contaminar al disipador 51 incrementando su temperatura y provocando un colapso térmico en caso de que no se hiciera nada. Es por ello que se instala este componente, para actuar como pantalla evitando el calor por radiación y convección al ser esta base estructural 6 de un material plástico. Aunque esto no evita que el componente no se caliente, de hecho, incrementa su temperatura, por un lado, por el calor emitido por la fuente y por otro, por la transferencia de calor por conducción que proviene de los captadores de calor 21. Todas estas situaciones provocan que incremente su temperatura, pero poco considerable ya que encima de la base estructural 6 se instala una junta térmica 7 que también actúa como aislante. Por lo tanto, el mayor flujo térmico por conducción se produce por el captador de calor 21, los generadores termoeléctricos 41 o celdas Peltier 41’ y el disipador 51 como se puede ver en la Fig. 18c. Si se observa la Fig. 8, se puede ver la parte inferior de la base estructural 6. Este componente al ser un plástico es susceptible de fabricarse por medio de inyección, por lo que la pieza no debería tener zonas con mucho espesor. Es por ello por lo que se realiza un diseño con nervios 62, por un lado, para que soporte los esfuerzos tanto de presión a los generadores termoeléctricos 41 o celdas Peltier 41’ como la presión a la hora del montaje en la fuente de calor 3 y por otro, crear zonas huecas con presencia de aire para utilizar estos espacios como aislante térmico contra la radiación y convección. El aire, como es bien sabido, es uno de los mejores aislantes del mundo y esto ayuda a que el camino térmico sea solo por el captador, y las celdas, y no aumente la energía que tenga que disipar el disipador, haciendo que la temperatura que le llega al componente tenga un descenso mayor. El material plástico que se ha utilizado en el ejemplo dispone de tres agujeros para la inserción de tres tornillos 8 que realizan presión sobre los generadores termoeléctricos 41 o celdas Peltier 41 ’. Se prevé además, como se puede observar en las Figs. 8, 9 y 10, que disponga de un agujero para la fijación de una caja electrónica 9 con dos tornillos de plástico, no representados, y dos agujeros para cada captador de calor 21. En los laterales, la citada base estructural 6 tiene una geometría para insertar susceptiblemente etiquetas de advertencia con un agujero cuadrado y un ranurado con dos agujeros para la inserción de dos tornillos en caso de que la instalación se realice sobre una superficie plana o el ranurado plano para el montaje de una abrazadera metálica para conducto circular.All these components are supported by the structural base 6 which, as has been mentioned before, provides the assembly with mechanical rigidity to exert pressure on the Peltier cells 41' together with the heat sink 51. On the other hand, it not only acts as a structural element, It also has the mission of acting as thermal insulation. This is because the heat source 3 emits heat in the form of radiation and convection and could contaminate the heat sink 51 increasing its temperature and causing thermal collapse if nothing is done. That is why this component is installed, to act as a screen avoiding heat by radiation and convection as this structural base 6 is made of a plastic material. Although this does not prevent the component from heating up, in fact, its temperature increases, on the one hand, due to the heat emitted by the source and, on the other, due to heat transfer by conduction coming from the heat collectors 21. All these situations cause its temperature to increase, but not considerably, since a thermal joint 7 is installed on top of the structural base 6, which also acts as an insulator. Therefore, the largest thermal flow by conduction is produced by the heat collector 21, the thermoelectric generators 41 or Peltier cells 41' and the heat sink 51 as can be seen in Fig. 18c. If you look at Fig. 8, you can see the lower part of the structural base 6. This component, being a plastic, can be manufactured by injection, so the part should not have very thick areas. That is why a design with ribs 62 is made, on the one hand, to support both pressure stresses to the thermoelectric generators 41 or Peltier cells 41' and the pressure at the time of assembly in the heat source 3 and on the other, create hollow areas with the presence of air to use these spaces as thermal insulation against radiation and convection. Air, as is well known, is one of the best insulators in the world and this helps ensure that the thermal path is only through the sensor and the cells, and does not increase the energy that the heatsink has to dissipate, causing the temperature that reaches the component has a greater decrease. The plastic material that has been used in the example has three holes for the insertion of three screws 8 that exert pressure on the thermoelectric generators 41 or Peltier cells 41'. Furthermore, as can be seen in Figs. 8, 9 and 10, which has a hole for fixing an electronic box 9 with two plastic screws, not shown, and two holes for each heat sensor 21. On the sides, the mentioned structural base 6 has a geometry to easily insert warning labels with a square hole and a slotted with two holes for the insertion of two screws in case the installation is done on a flat surface or the flat slotted for mounting a metal clamp for circular duct.
La junta térmica 7, representada en la Fig. 11, tiene la finalidad de cumplir con tres objetivos, el primero y más importante es actuar como una junta de estanqueidad entre el disipador 51 de calor y la base estructural 6 con el fin de evitar que el agua, humedad o polvo puedan filtrarse hacia el interior del equipo y dañar todos los componentes eléctricos como el generador termoeléctrico 41 o celda Peltier 41 ’ o la misma electrónica que se aloje en el interior de la caja electrónica 9. Si la estanqueidad no se produce, existe una probabilidad muy alta de que existan fallos por cortocircuito y oxidación en la unión de componentes eléctricos. Es por ello que esta junta es de un material elastómero con la capacidad de deformarse cuando se aplica una fuerza de presión sobre ella y su propia deformación se adapta a la superficie en contacto, dando como resultado que ningún elemento puede filtrarse a través de ella. El segundo objetivo que debe cumplir esta pieza, es de actuar como de aislamiento térmico. Al estar en contacto con la base estructural 6 y de la misma forma la citada base estructural 6 recibe el calor procedente de la fuente de calor 3, provoca que haya transferencia de calor por conducción. En consecuencia, se elige un material del tipo plásticoelastomero, y además tiene un bajo coeficiente de transferencia térmica por conducción, soportando hasta 200°C en continúo y 250°C en períodos cortos de funcionamiento. Por lo tanto, la unión de dos componentes aislantes, como la base estructural 6 y la junta térmica 7, son suficientes para evitar que llegue calor residual al disipador 51 de calor y provoque una disminución en su funcionamiento térmico. Y, como tercer objetivo, tiene la finalidad de actuar como elemento de encuadre a la hora de montar los generadores termoeléctricos 41 (celdas Peltier 41’) sobre el captador de calor 21. Esto quiere decir que, las celdas Peltier 41’ (en el ejemplo representado de las figuras) son montadas en la geometría cuadrada presente en la pieza en forma de agujero, impidiendo que esta se mueva a la hora de ejercer la presión a través de los tornillos de apriete 8. Además, dispone de un ranurado por donde sus respectivos cables son dirigidos hacia un agujero que lleva a la caja electrónica 9.The thermal joint 7, represented in Fig. 11, has the purpose of fulfilling three objectives, the first and most important is to act as a sealing joint between the heat sink 51 and the structural base 6 in order to prevent water, humidity or dust can seep into the interior of the equipment and damage all the electrical components such as the thermoelectric generator 41 or Peltier cell 41' or the same electronics that are housed inside the electronic box 9. If the sealing is not occurs, there is a very high probability that there are failures due to short circuit and oxidation in the union of electrical components. That is why this gasket is made of an elastomeric material with the ability to deform when a pressure force is applied to it and its own deformation adapts to the surface in contact, resulting in no element being able to leak through it. The second objective that this piece must meet is to act as thermal insulation. Being in contact with the structural base 6 and in the same way the mentioned structural base 6 receives the heat from the heat source 3, it causes heat transfer by conduction. Consequently, a material of the elastomeric plastic type is chosen, and it also has a low thermal transfer coefficient by conduction, withstanding up to 200°C continuously and 250°C in short periods of operation. Therefore, the union of two insulating components, such as the structural base 6 and the thermal joint 7, are sufficient to prevent residual heat from reaching the heat sink 51 and causing a decrease in its thermal performance. And, as a third objective, it has the purpose of acting as a framing element when mounting the thermoelectric generators 41 (Peltier cells 41') on the heat collector 21. This means that the Peltier cells 41' (in the represented example of the figures) are assembled in the square geometry present in the hole-shaped piece, preventing it from moving when exerting pressure through the tightening screws 8. In addition, it has a groove where their respective cables are directed towards a hole that leads to the electronic box 9.
De forma similar a la junta térmica 7, se prevé que el módulo termoeléctrico 1 disponga de una segunda junta térmica, la junta térmica 77 de la caja electrónica 9, que tiene el objetivo de cumplir de elemento de estanqueidad contra agentes atmosféricos y como elemento de aislamiento térmico para evitar fallos por cortocircuitos y/o oxidación de los componentes eléctricos que componen la caja electrónica 9.In a similar way to the thermal joint 7, it is foreseen that the thermoelectric module 1 has a second thermal joint, the thermal joint 77 of the electronic box 9, which has the objective of acting as a sealing element against atmospheric agents and as an element of thermal insulation to prevent failures due to short circuits and/or oxidation of the electrical components that make up the electronic box 9.
La caja electrónica 9, cuya misión es alojar en su interior la electrónica encargada de gestionar la energía eléctrica procedente del generador termoeléctrico 41. La electrónica de potencia está formada por un convertidor DC/DC con una tensión de Start-up de 0,225V, y un MPPC para que la tensión de entrada no baje de los 0,4V. Y una tensión de salida de 5V. Se ha usado conversores con tensiones de Start-up más altas y más bajas, con MPPT, y con salidas regulables superiores e inferiores en otras variantes también incluidas en la presente invención. Dado que el sistema necesita o puede necesitar para su funcionamiento energías superiores a las generadas por el generador termoeléctrico 41, la energía se acumula en una super capacidad (habitualmente de 5F). La energía acumulada depende de la tensión y la capacidad, más tensión implica poder usar una capacidad inferior. Dado que a temperaturas bajas la energía generada es muy baja del orden de 1mW, interesa que el sistema esté apagado hasta que disponga de la energía suficiente para hacer todo un ciclo de trabajo (desde la adquisición hasta el envío de los datos). La parte de control de potencia es la encargada de asegurar, que hasta que no se haya acumulado suficiente energía, la parte de monitorización no consuma nada (no tiene tensión), cortando la alimentación. Esto tiene dos ventajas: la primera, es que al no haber consumo por parte de la electrónica de, toda la energía generada se acumula en la capacidad. La segunda es que evita que pueda haber funcionamientos erróneos al haber una subida lenta de tensión, o un funcionamiento inestable a Causa del cual aumente el consumo, utilizando erróneamente la energía acumulada. El sistema genera dos limites programables, el de encendido (normalmente 4,5V), y el de apagado, que depende de la función del dispositivo (normalmente 3,7V). Se representa en la Fig. 19a estas tensiones mínimas de encendido y en la Fig. 19b el funcionamiento según las etapas X3, X1, X2 que alimentan el SoC. La programación de estas tensiones depende de dos resistencias. Estos valores de encendido y apagado, dependerán de la tensión de funcionamiento del sistema, típicamente de 3,3V, 2,5V o 1,8V. Al ser un sistema que genera su propia energía y que no depende de una batería, permite usar con algoritmos de Edge-Computing sin afectar a la vida del dispositivo. Lo que permite ciertos análisis sin necesidad de enviar muchos datos con el ahorro de comunicaciones, y evitando una saturación del espectro radioeléctrico.The electronic box 9, whose mission is to house inside the electronics in charge of managing the electrical energy coming from the thermoelectric generator 41. The power electronics is made up of a DC/DC converter with a Start-up voltage of 0.225V, and an MPPC so that the input voltage does not drop below 0.4V. And an output voltage of 5V. Converters with higher and lower Start-up voltages, with MPPT, and with higher and lower adjustable outputs have been used in other variants also included in the present invention. Given that the system needs or may need energies higher than those generated by the thermoelectric generator 41 for its operation, the energy is accumulated in a super capacity (usually 5F). The accumulated energy depends on the voltage and the capacity, more voltage implies being able to use a lower capacity. Given that at low temperatures the energy generated is very low, around 1mW, it is important that the system is turned off until it has enough energy to carry out an entire work cycle (from data acquisition to sending). The power control part is responsible for ensuring that until enough energy has been accumulated, the monitoring part does not consume anything (it has no voltage), cutting off the power supply. This has two advantages: the first is that since there is no consumption by the electronics, all the energy generated is accumulated in the capacity. The second is that it prevents possible erroneous operations due to a slow rise in voltage, or unstable operation as a result of which consumption increases, erroneously using the accumulated energy. The system generates two programmable limits, the one on (normally 4.5V), and the one on off, which depends on the function of the device (normally 3.7V). These minimum turn-on voltages are represented in Fig. 19a and in Fig. 19b the operation according to the stages X3, X1, X2 that feed the SoC. The programming of these voltages depends on two resistors. These on and off values will depend on the operating voltage of the system, typically 3.3V, 2.5V or 1.8V. Being a system that generates its own energy and does not depend on a battery, it allows use with Edge-Computing algorithms without affecting the life of the device. What It allows certain analyzes without the need to send a lot of data with the savings of communications, and avoiding a saturation of the radio spectrum.
Como se ha puesto de manifiesto, la presión que exista entre todos los componentes es vital para un buen funcionamiento y optimizar al máximo el rendimiento energético del módulo termoeléctrico 1. Siendo así, se describe a continuación el sistema de presión del generador termoeléctrico 41, en concreto para las celdas Peltier 41’, que consta en este ejemplo de tres tornillos 8 especiales que facilitan su instalación y reduce el tiempo de montaje. Este sistema está formado por tornillos 8 de máquina y dos arandelas 82 como se puede ver en la Fig. 16. Cada tornillo 8 del ejemplo es de acero y tiene un diámetro de pasador de 6 mm y una rosca de M5. Esto permite crear en el extremo del pasador un tope 81 que impide seguir roscando. En el caso del sistema, el tope 81 impide seguir roscando en el disipador 51 y aplicar más fuerza de lo debido. Las celdas Peltier 41 ' necesitan de un par de presión para reducir la rugosidad superficial por lo que se recomienda utilizar una fuerza de presión de 1MPa a 1,2Mpa por celda Peltier 41 ', en este caso. A partir de las dimensiones de las celdas Peltier 41' y la presión se puede determinar la fuerza que se debe aplicar a los tornillos 8. Para poder asegurar dicha fuerza, se utiliza unas arandelas 82 especiales denominadas Belleville que ejercen una presión constante sobre la superficie de apoyo. Dichas arandelas 82, tipo Belleville, tienen una forma cóncava que permite aplicar una deformación y obtener una fuerza elástica residual. En función de la fuerza necesaria, se pueden combinar más de una arandela 82 en la misma dirección para sumar fuerzas.As has been shown, the pressure that exists between all the components is vital for proper operation and maximum optimization of the energy performance of the thermoelectric module 1. Thus, the pressure system of the thermoelectric generator 41 is described below, in concrete for Peltier cells 41', which in this example consists of three special screws 8 that facilitate installation and reduce assembly time. This system consists of machine screws 8 and two washers 82 as can be seen in Fig. 16. Each screw 8 in the example is made of steel and has a pin diameter of 6mm and a thread of M5. This makes it possible to create a stop 81 at the end of the pin that prevents further threading. In the case of the system, the stop 81 prevents further threading in the heatsink 51 and applying more force than it should. Peltier 41' cells need a pressure torque to reduce surface roughness, so it is recommended to use a pressure force of 1MPa to 1.2Mpa per Peltier 41' cell, in this case. From the dimensions of the Peltier cells 41' and the pressure, the force to be applied to the screws 8 can be determined. In order to ensure said force, special washers 82 called Belleville are used, which exert a constant pressure on the surface support. Said Belleville-type washers 82 have a concave shape that allows a deformation to be applied and a residual elastic force to be obtained. Depending on the force required, more than one washer 82 may be combined in the same direction to add forces.
Mediante este módulo termoeléctrico 1, según la invención, se configura un sistema de monitorización de procesos industriales para el mantenimiento predictivo aprovechando el calor residual como se puede ver en el ejemplo representado en la Fig. 5 Ese sistema comprende el módulo termoeléctrico 1, un nodo loT 10 y el sensor (de vibración y/o temperatura). Es decir, el sistema mediante el citado módulo termoeléctrico 1 es capaz de generar la energía suficiente para alimentar dispositivos 11 electrónicos, como por ejemplo sensores industriales de la propia máquina que se desea monitorizar (ver Fig. 6).By means of this thermoelectric module 1, according to the invention, an industrial process monitoring system is configured for predictive maintenance taking advantage of residual heat, as can be seen in the example shown in Fig. 5. This system comprises the thermoelectric module 1, a node loT 10 and the sensor (vibration and/or temperature). In other words, the system by means of the aforementioned thermoelectric module 1 is capable of generating enough energy to power electronic devices 11, such as, for example, industrial sensors of the machine itself that is to be monitored (see Fig. 6).
A nivel funcional, el sistema del ejemplo representado dispone de dos celdas Peltier 41' por unidad de generación, lo que provoca que a mayor superficie será la generación de energía que se pueda aprovechar. El módulo termoeléctrico 1 sigue el proceso de funcionamiento de este tipo de transformaciones de energía: captación, generación y disipación. Como se ha ido presentando con anterioridad, se ha estudiado y calculado los componentes que irán situados en cada uno de ellos para obtener el mejor rendimiento posible.At a functional level, the system of the example represented has two Peltier cells 41' per generation unit, which means that the larger the surface, the energy generation that can be used will be. The thermoelectric module 1 follows the process of operation of this type of energy transformation: capture, generation and dissipation. As has been presented previously, the components that will be located in each of them have been studied and calculated to obtain the best possible performance.
En el proceso de captación, el módulo termoeléctrico 1 captará el mayor flujo térmico residual por contacto con la superficie que emite una fuente de calor 3 a través de los medios de captación de calor 2. En el módulo termoeléctrico 1 del presente ejemplo hay dos captadores 21 para dos celdas Peltier 41 ' que van situadas sobre la superficie con la geometría de la celda Peltier 41’ de 40x40 mm. El calor recolectado que atraviesa el captador 21 llega a una de las celdas Peltier 41' (Thot, temperatura caliente) y seguidamente, mediante la provocación de un diferencial térmico en la cara posterior (Tcold, temperatura fría), esta empieza a generar energía eléctrica. Esta celda, como por ejemplo la TGM-199-1,4-3,2 del fabricante Kryotherm, es capaz de generar 5,9W de potencia eléctrica con un diferencial de temperatura entre caras de 170°C con máxima temperatura de trabajo de 200°C. El diferencial térmico en la cara Tcold de la celda Peltier 41’, es provocado por un intercambiador de calor o disipador 51 térmico con aletas 52 rectas del tipo pasivo. Este componente, extrae el calor que atraviesa la celda Peltier 41’ y lo disipa a través de sus aletas 52 en forma de radiación o es absorbido por el fluido circundante a través de convección (este fluido en ese caso es el aire de la atmosfera industrial donde se instala dicho sistema). Este calor disipado provoca que la superficie Tcold de la celda Peltier 41’, que está en contacto con el disipador 51, se refrigere, provocando un diferencial de temperatura entre las superficies de la citada celda Peltier 41’. Por lo tanto, la celda Peltier 41’ queda como un ‘sandwich’ entre el captador 21 por contacto y el disipador 51 de aletas 52 como se aprecia en las Figs. 1, 2 y 3.In the capture process, the thermoelectric module 1 will capture the largest residual heat flow by contact with the surface that emits a heat source 3 through the heat capture means 2. In the thermoelectric module 1 of the present example there are two collectors 21 for two Peltier cells 41' that are located on the surface with the geometry of the Peltier cell 41' of 40x40 mm. The collected heat that passes through the collector 21 reaches one of the Peltier cells 41' (Thot, hot temperature) and then, by causing a thermal differential on the rear face (Tcold, cold temperature), it begins to generate electrical energy . This cell, such as the TGM-199-1.4-3.2 from the manufacturer Kryotherm, is capable of generating 5.9W of electrical power with a temperature differential between faces of 170°C with a maximum working temperature of 200 °C The thermal differential on the Tcold face of the Peltier cell 41' is caused by a heat exchanger or thermal sink 51 with straight fins 52 of the passive type. This component extracts the heat that passes through the Peltier cell 41' and dissipates it through its fins 52 in the form of radiation or is absorbed by the surrounding fluid through convection (this fluid in this case is the air of the industrial atmosphere). where the system is installed). This dissipated heat causes the surface Tcold of the Peltier cell 41', which is in contact with the heat sink 51, to cool, causing a differential of temperature between the surfaces of said Peltier cell 41'. Therefore, the Peltier cell 41' remains as a 'sandwich' between the sensor 21 by contact and the fins 52 dissipator 51 as can be seen in Figs. 1 2 and 3.
La superficie de captación por parte de los captadores 21, es pequeña en comparación con la superficie del foco de calor 3, esto provoca que el calor emitido por la fuente lo absorba el módulo termoeléctrico 1 y provoque una disminución en el rendimiento tanto térmico como eléctrico. Es por ello que, para evitar esta situación, se instala un componente aislante para proteger el disipador de calor, del calor irradiante del foco de calor y a su vez funciona como elemento estructural que da fijación a todos los componentes del proceso de generación termoeléctrica, es la citada base estructural 6 descrita con anterioridad.The capture surface by the collectors 21 is small compared to the surface of the heat source 3, this causes the heat emitted by the source to be absorbed by the thermoelectric module 1 and cause a decrease in both thermal and electrical performance . That is why, to avoid this situation, an insulating component is installed to protect the heat sink from the radiating heat of the heat source and, in turn, works as a structural element that fixes all the components of the thermoelectric generation process, that is, the aforementioned structural base 6 described above.
Con esta configuración, se consigue un producto duradero y resistente al desgaste temporal en el entorno de trabajo, previsto especialmente para entornos industriales. Esta resistencia incluye resistencia a la corrosión superior a los 5 años de vida de funcionamiento, resistencia a la radiación de rayos ultravioletas superior a los 5 años de vida de funcionamiento, resistencia a ataques químicos superior a les 5 años de vida de funcionamiento y estanqueidad frente a la humedad, el agua y el polvo con una protección IP67.With this configuration, a product that is durable and resistant to temporary wear and tear in the work environment is achieved, especially intended for industrial environments. This resistance includes corrosion resistance for more than 5 years of operating life, resistance to ultraviolet radiation for more than 5 years of operating life, resistance to chemical attack for more than 5 years of operating life, and watertightness against to humidity, water and dust with IP67 protection.
Mediante la combinación de la base estructural 6 y los diferentes elementos de fijación, como los tornillos 8, el módulo termoeléctrico 1 de la invención es suficientemente robusto para resistir golpes sin deformarse ni romperse, su tenacidad de fractura es superior a 25Mpa mA0,5.Through the combination of the structural base 6 and the different fixing elements, such as the screws 8, the thermoelectric module 1 of the invention is robust enough to resist blows without deforming or breaking, its fracture toughness is greater than 25Mpa mA0.5.
La idea de los inventores siempre ha sido conseguir una solución de fácil y rápida instalación en cuanto a tiempo sin montajes de funcionamiento complicados, así se ha conseguido como se puede comprobar en este ejemplo en el que todo el módulo termoeléctrico 1 está sólidamente unido y tan solo debe fijarse a la superficie 35 de la fuente de calor 3 y conectarse con el resto de los elementos que conforman el sistema como los sensores de la máquina que se desea monitorizar. El producto tiene que quedar fijo y estático para su correcto funcionamiento y por ese motivo se ancla y/o fija mediante componentes de apriete de un modo en sí conocido.The idea of the inventors has always been to achieve a solution that is easy and quick to install in terms of time without complicated operating assemblies, this has been achieved as can be seen in this example in which the entire thermoelectric module 1 is solidly joined and so it should only be fixed to the surface 35 of the heat source 3 and connected to the rest of the elements that make up the system, such as the sensors of the machine to be monitored. The product has to remain fixed and static for its correct operation and for this reason it is anchored and/or fixed by means of tightening components in a way known in itself.
No ha sido objeto de la presente memoria invertir tiempo en mencionar las medias exactas del módulo termoeléctrico 1 ni del sistema de la invención, pero como se puede deducir sus dimensiones son discretas y no interrumpen procesos internos por tamaño o funcionalidad del resto de la instalación industrial donde se instale el invento. De forma orientativa, el módulo termoeléctrico 1 del ejemplo tiene las siguientes dimensiones 220x100x100 mm.It has not been the object of this report to spend time mentioning the exact measurements of the thermoelectric module 1 or of the system of the invention, but as can be deduced its dimensions are discrete and do not interrupt internal processes due to size or functionality of the rest of the industrial installation where the invention is installed. As a guide, the thermoelectric module 1 of the example has the following dimensions: 220x100x100 mm.
Para respetar y no afectar al resto de la normativa en materia de prevención de riesgos laborales de la instalación industrial donde se instale, se prevé que tanto el módulo termoeléctrico 1 como los elementos que intervienen con el sistema de la invención estén correctamente señalizados para evitar la interrupción de terceros sin autorización y causar daños imprevistos tanto para el equipo como para el operario que pudiera intervenirlo, sobretodo se dejará bien señalada la superficie caliente.In order to respect and not affect the rest of the regulations on the prevention of occupational risks of the industrial facility where it is installed, it is expected that both the thermoelectric module 1 and the elements that intervene with the system of the invention are correctly marked to avoid the interruption by third parties without authorization and cause unforeseen damage to both the equipment and the operator who could intervene, especially the hot surface will be clearly marked.
La forma del conjunto del módulo termoeléctrico 1 como se ha visto en los dibujos es aproximadamente un prisma, se ha intentado conseguir una estética que defina su forma a través de su funcionalidad teniendo en cuenta que su estética no debe interrumpir su rendimiento. The shape of the thermoelectric module assembly 1 as seen in the drawings is approximately a prism, an attempt has been made to achieve an aesthetic that defines its shape through its functionality, taking into account that its aesthetics should not interrupt its performance.
A nivel eléctrico, la energía generada no afecta al funcionamiento de la electrónica asociada, pero tiene efecto en la carencia de acumulación de energía, lo que limitará el cada cuanto tiempo se podrá hacer una adquisición de datos, y su análisis pertinente antes de enviarlos. At an electrical level, the energy generated does not affect the operation of the associated electronics, but it has an effect on the lack of energy accumulation, which will limit how often data acquisition and its pertinent analysis can be made before sending them.
Es deducible que, al estar principalmente en entornos industriales, la temperatura es un aspecto relevante a tener en cuenta, así el módulo termoeléctrico 1 de la invención se ha diseñado para poder soportar temperaturas de trabajo entre -10°C y 50°C y temperaturas de funcionamiento entre 50°C y 180°C.It follows that, being mainly in industrial environments, temperature is a relevant aspect to take into account, thus the thermoelectric module 1 of the invention has been designed to be able to withstand working temperatures between -10°C and 50°C and temperatures operating between 50°C and 180°C.
Del mismo modo que se deseaba ofrecer una solución de fácil instalación, también se deseaba conseguir una solución que redujera al máximo el proceso de su fabricación y las piezas o componentes que forman el equipo. Aunque sea de forma esquemática en los dibujos, combinado con la presente descripción, se puede destacar que se ha conseguido este objetivo con una solución que tiene menos de 20 piezas. Además, el montaje y ensamblaje de todos los elementos se reduce en complejidad y tiempo al haberse ajustado muy bien todos los detalles en este sentido. A nivel de costes directos de fabricación, se ha previsto utilizar materiales y elementos disponibles en el mercado sin invertir dinero en la creación de nuevos materiales o elementos, pero sí que se ha invertido más tiempo en una correcta selección y triaje de los materiales más idóneos para estos usos. Aún así, algunas de las piezas sí que son piezas hechas a medida como por ejemplo la base estructural 6 y los captadores 21.In the same way that it was desired to offer an easy-to-install solution, it was also desired to achieve a solution that would minimize the manufacturing process and the parts or components that make up the equipment. Although schematic in the drawings, combined with the present description, it can be noted that this goal has been achieved with a solution having less than 20 parts. In addition, the assembly and assembly of all the elements is reduced in complexity and time as all the details have been very well adjusted in this regard. At the level of direct manufacturing costs, it has been planned to use materials and elements available on the market without investing money in the creation of new materials or elements, but more time has been invested in a correct selection and triage of the most suitable materials. for these uses. Even so, some of the pieces are made-to-measure pieces, such as the structural base 6 and the collectors 21.
El módulo termoeléctrico 1 del ejemplo forma parte de un nuevo sistema de monitorización de procesos industriales para el mantenimiento predictivo aprovechando el calor residual, en concreto el calor residual de las tuberías 33 representadas de forma esquemáticas en las Figs.The thermoelectric module 1 of the example is part of a new industrial process monitoring system for predictive maintenance taking advantage of residual heat, specifically the residual heat of the pipes 33 represented schematically in Figs.
4, 6 y 18c. Este módulo termoeléctrico 1 de este sistema consigue la energía suficiente para alimentar el dispositivo 11 electrónico o sensor industrial de la propia máquina que se desea monitorizar.4, 6 and 18c. This thermoelectric module 1 of this system obtains enough energy to power the electronic device 11 or industrial sensor of the machine itself that is to be monitored.
El sistema comprende además un nodo loT 10 para comunicar y transmitir los datos obtenidos del módulo termoeléctrico 1, dispositivo electrónico 11 o sensor industrial de la propia máquina que se monitoriza.The system also comprises an IoT node 10 to communicate and transmit the data obtained from the thermoelectric module 1, electronic device 11 or industrial sensor of the machine being monitored.
Se consigue así, un sistema para el mantenimiento predictivo que no precisa energía adicional para su funcionamiento. Únicamente con el calor residual de la propia instalación, como la obtenido de la superficie de las tuberías, se abastece de energía suficiente.Thus, a system for predictive maintenance is achieved that does not require additional energy for its operation. Only with the residual heat of the installation itself, such as that obtained from the surface of the pipes, is it supplied with sufficient energy.
Por último, los inventores consideran que el lector de la presente descripción podrá concluir que aunque se ha descrito un ejemplo para un entorno industrial y de hecho es básicamente el uso que se considera que será más generalizado, no se descarta que pueda utilizarse para entornos no industriales, en el que se podrían mantener esencialmente las mismas características técnicas aquí descritas. Finally, the inventors consider that the reader of this description may conclude that although an example has been described for an industrial environment and in fact it is basically the use that is considered to be more widespread, it is not ruled out that it can be used for non-industrial environments. industrial, in which essentially the same technical characteristics described here could be maintained.
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