PL233814B1 - Opalany wymiennik ciepla z generatorem termoelektrycznym - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest opalany wymiennik ciepła z generatorem termoelektrycznym, mający zastosowanie zwłaszcza w instalacjach centralnego ogrzewania i/lub wody użytkowej.

Obecnie rynek oczekuje nowych rozwiązań technicznych i urządzeń realizujących coraz większą ilość funkcji, a jednocześnie coraz bardziej uniwersalnych. Ponadto, obecnie w całym przemyśle trwają intensywne prace nad opracowaniem nowych metod pozyskiwania energii elektrycznej. Większość dostępnych dzisiaj na rynku urządzeń mikrogeneracyjnych opartych jest na zasadzie konwersji jakiejś formy energii kinetycznej w energię elektryczną. Znane są rozwiązania oparte na różnego rodzaju silnikach tłokowych, silnikach Sterlinga, turbinach itp. Rozwiązania te mają poważne ograniczenia wynikające z wysokiego poziomu ich skomplikowania, a co za tym idzie wysokiej ceny wytworzenia, niskiej niezawodności oraz wysokich kosztów związanych z zabezpieczeniem wymagań serwisowych.

Znane są urządzenia termoelektryczne wykorzystujące zjawisko Seebecka umożliwiające generację energii elektrycznej. Urządzenia te zawierają termoelektryczne środki techniczne, w których różnica temperatur odpowiednich obszarów umożliwia generowanie energii elektrycznej.

Obecny stan wiedzy dotyczący powłok termoelektrycznych sugeruje, że nie opracowano jeszcze rozwiązania, które instruowałoby, jak kompleksowo nanosić kompozyty termoelektryczne i stosować je w urządzeniach tego typu. Istnieją natomiast publikacje naukowe traktujące o specyficznych metodach fabrykacji tylko elementów półprzewodnikowych do zastosowania w ogniwach termoelektrycznych. Należy również wskazać, że prowadzone są próby nakładania warstw tellurku bizmutu metodą termicznego natryskiwania. Jednak ze względu na dużą niedokładność metoda ta jest mało efektywna, a wytwarzane układy mało wydajne. Ze względu na otwartą strukturę połączeń półprzewodnikowych „p” i „n” układy te nie mają bezpiecznego zastosowania. Aktualne nasycenie rynku ograniczone jest do prefabrykowanych ogniw termoelektrycznych. Ich ograniczenia są dość znaczne ze względu na całkowity brak odkształcalności i standaryzowane gabaryty. W ostatnim czasie powstała natomiast grupa zastosowań ogniw do wytwarzania elektryczności w tak zwanych turystycznych generatorach energii. Wykorzystując energię cieplną urządzenia te pozwalają na ładowanie niewielkich odbiorników. Trudno jednak w takim przypadku ze względu na wielkość rynku i zastosowane rozwiązania techniczne mówić o skali przemysłowej. Dotychczas prowadzone eksperymentalne próby stosowania prefabrykowanych modułów termoelektrycznych nie mają większych szans na komercjalizację ze względu na ograniczenia produkcyjne i gabarytowe. Kolejnym czynnikiem skutecznie hamującym rozwój tej gałęzi przemysłu jest wysoki jednostkowy koszt ogniw termoelektrycznych.

Znany jest z dokumentu patentowego GB2451521 A przenośny podgrzewacz wody posiadający komorę spalania, w którym paliwo spala się w celu zapewnienia źródła ogrzewania. Komora spalania ma palnik na paliwo i dmuchawę dostarczającą powietrze do palnika. Dmuchawa jest zasilana przez generator termoelektryczny, który zawiera urządzenie Peltiera Seebecka zawierające gorącą stronę ogrzewaną ciepłem z palnika oraz zimną stronę chłodzoną powietrzem z dmuchawy. Paliwo do palnika dostarczane jest grawitacyjnie z kanistra. Generator termoelektryczny zawiera zespół półprzewodnikowych modułów z tellurku bizmutu (BI-TE) połączonych szeregowo, które wytwarzają napięcie elektryczne, kiedy występuje różnica temperatur w całym stosie. Podgrzewacz wody nie wymaga zasilania energią i ma zastosowanie w kuchni polowej, na łodzi itp.

Dokument US2008121263 A1 ujawnia element termoelektryczny oraz sposób jego wytwarzania, z wykorzystaniem płaskiego nośnika w postaci porowatej matrycy z materiału izolującego elektrycznie i termicznie, w którym wyróżniono pierwszą i drugą powierzchnię. Pory matrycy wypełniane są materiałem o cechach półprzewodnikowych „p” lub „n”, a przewodniki elektryczne biegną przez pory płaskiej matrycy od pierwszej do drugiej powierzchni i są izolowane elektrycznie od siebie.

Dokument JPH1155974 A ujawnia rozwiązanie pozwalające na poprawę kontaktu termicznego pomiędzy modułem termoelektrycznym a zimną i gorącą ścianą generatora. Moduł termoelektryczny ma konstrukcję naprzemiennie połączonych elementów półprzewodnikowych „p” oraz „n” ułożonych w prostopadłościan, który zamocowany jest w charakterystyczny sposób do płyty lamelowej, która ogrzewana jest przez przepływające medium. Generator spala paliwo i ogrzewa medium, które następnie przepływa przez wspomnianą płytę wytwarzając tym samym różnicę temperatur pomiędzy płaszczyznami ogniwa.

Z dokumentu patentowego PL398607 A1, znany jest wymiennik ciepła zawierający płaszcz zewnętrzny, komorę spalania, rury płomieniowe zamontowane w dnach sitowych, przy czym wymiennik ciepła nie jest zaopatrzony w generator termoelektryczny.

PL 233 814 B1

Z dokumentu patentowego US2002179135 A1, znany jest moduł termoelektryczny, zawierający wiele elementów termoelektrycznych typu „p” oraz typu „n”, z których każdy zawiera półprzewodnik typu „p” albo „n” o skutterydytowej strukturze krystalicznej, przy czym wspomniane elementy termoelektryczne są rozmieszczone naprzemiennie, oraz posiada elektrody łączące szeregowo wspomniane elementy termoelektryczne, a pomiędzy wspomnianymi elementami termoelektrycznymi a wspomnianymi elektrodami umieszczona jest warstwa stopu zawierająca Sb i co najmniej jeden pierwiastek metalu przejściowego wybrany z grupy obejmującej Ag, Au i Cu, a po drugiej wspomnianych elektrod usytuowana jest warstwa szkła frytowego, na której usytuowana jest płyta przewodząca ciepło. Ujawniony moduł wytwarzany przy zastosowaniu technik topielniczych, spiekalniczych, lutowniczych, laminowania. Ujawniony moduł termoelektryczny może być umieszczony na żebrach rury płomieniowej albo na żebrach rury wodnej.

Celem wynalazku jest zwiększenie efektywności energetycznej wymienników ciepła, w szczególności dostarczenie opalanego wymiennika ciepła, zwłaszcza dla instalacji centralnego ogrzewania i/lub wody użytkowej, generującego jednocześnie energię elektryczną wykorzystywaną do zasilania dodatkowej elektroniki, urządzeń zewnętrznych lub kierowaną ponownie do sieci energetycznej. Ponadto, celem wynalazku jest rozwiązanie omówionych na wstępie problemów poprzez zapewnienie środków technicznych do przezwyciężenia niskiej wydajności urządzeń termoelektrycznych oraz zmniejszenie kosztów ich wytwarzania.

Cel ten osiągnięto poprzez opracowanie wymiennika ciepła wyposażonego w termoelektryczne środki techniczne, wykorzystujące ciepło powstałe ze spalania paliwa, do generowania energii elektrycznej.

Opalany wymiennik ciepła dla instalacji centralnego ogrzewania i/lub wody użytkowej, zawierający płaszcz zewnętrzny, komorę spalania, rury płomieniowe zamontowane w dnach sitowych, oraz generator termoelektryczny działający według zjawiska Seebecka usytuowany w termicznym kontakcie ze spalinami, zawierający nie stykające się ze sobą podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” połączone ze sobą szeregowo elementami przewodzącymi zaopatrzonymi w końcówki przyłączeniowe do wyprowadzenia powstałej energii elektrycznej, obustronnie izolowane elektrycznie warstwami izolatora elektrycznego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że generator termoelektryczny stanowi powłoka termoelektryczna naniesiona technologią PVD (Physical Vapour Deposition (fizyczne osadzanie z fazy gazowej)) na elementach wymiennika ciepła pozostających w termicznym kontakcie ze spalinami, przy czym bezpośrednio na wspomnianym elemencie wymiennika ciepła naniesiona jest pierws za warstwa izolatora elektrycznego, na której naniesiona jest pierwsza warstwa elementów przewodzących o grubości od 1 μm do 5 μm, na których naniesione są naprzemiennie podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” o grubości od 1 μm do 10 μm oraz szerokości od 0,1 mm do 2 mm, na których naniesiona jest druga warstwa elementów przewodzących o grubości od 1 μm do 5 μm, na której naniesiona jest druga warstwa izolatora elektrycznego, przy czym warstwy izolatora elektrycznego wykonane są na bazie tlenów nieorganicznych.

Korzystnie, elementy przewodzące wykonane są z miedzi.

Korzystnie, warstwy izolatora elektrycznego wykonane są na bazie AbO3 albo SiO2 albo MgO.

Korzystnie, zimna strona warstw półprzewodnikowych „p” i „n” warstwy termoelektrycznej chłodzona jest wodą doprowadzaną do wymiennika ciepła. Korzystnie, powłoka termoelektryczna naniesiona jest na zewnętrzną powierzchnię komory spalania wzdłuż jej długości, i/lub na zewnętrzną powierzchnię rur płomieniowych, i/lub na powierzchnię co najmniej jednego dna sitowego od strony rur płomieniowych, i/lub na co najmniej jedną stronę co najmniej jednej przegrody sitowej, przez które przechodzą rury płomieniowe, i/lub na wewnętrznej powierzchni płaszcza zewnętrznego. Korzystnie, podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” warstwy termoelektrycznej uformowane są w postaci naprzemiennych pierścieni.

Wynalazek daje możliwość dodatkowego wytwarzania energii elektrycznej pozyskiwanej za pomocą zaimplementowanej w wymienniku powłoki termoelektrycznej. Wymiennik ciepła z wbudowaną powłoką termoelektryczną oprócz energii cieplnej generuje energię elektryczną zgodnie ze zjawiskiem Seebecka. Zaletami rozwiązania według wynalazku jest między innymi brak jakichkolwiek ruchomych elementów, co przyczyni się do obniżenia kosztów serwisowania wymiennika. Ponadto generowanie energii elektrycznej z uwagi na brak elementów ruchomych jest absolutnie bezgłośne i bezwibracyjne, co pozwoli na instalowanie urządzenia w większej liczbie lokalizacji, przy minimalizacji uciążliwości dla osób mieszkających i pracujących w jego otoczeniu, oraz zapewnia skalowalność zastosowania od

PL 233 814 B1 mikroaplikacji do dużych mocy, jak również skalowalność produkcji zautomatyzowanej technologii produkcji, łatwej to powielenia w dużej skali. Ponadto, dzięki posłużeniu się efektem termoelektrycznym możliwe jest generowanie elektryczności bezpośrednio z energii cieplnej z pominięciem przekształcenia w energię kinetyczną, co przyczyni się do wysokiej niezawodności i obniżenia kosztów serwisowania.

Wytworzona energia elektryczna może mieć wielorakie zastosowanie, jak na przykład:

- zasilanie podzespołów elektrycznych wchodzących w skład kompletnego urządzenia, takich jak na przykład elementy sterowania czy układy pompowe (podniesienie wydajności energetycznej),

- budowa jednostek autonomicznych niezależnych od zewnętrznego zasilania w energię elektryczną,

- oddawanie energii do sieci lokalnej (zmniejszające zapotrzebowanie gospodarstwa domowego na energię elektryczną),

- oddawanie energii do sieci energetycznej (mikroźródła, prosument, energetyka obywatelska).

Wynalazek przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia komorę spalania wraz z rurami płomieniowymi w widoku perspektywicznym, fig. 2 - płaszcz zewnętrzny wymiennika ciepła, fig. 3 - przekrój pionowy wymiennika, fig. 4 - fragment przekroju pionowego komory spalania, fig. 5 - fragment wymiennika, jak na fig. 6, fig. 6 - wymiennik ciepła w widoku perspektywicznym z ukazaną wewnątrz komorą spalania, fig. 7 - przekrój poprzeczny powłoki termoelektrycznej.

Opalany wymiennik ciepła dla instalacji centralnego ogrzewania i/lub wody użytkowej ma komorę spalania 6, rury płomieniowe 7 zamontowane w dnach sitowych 8a, 8b, oraz przegrodach poprzecznych 9, przy czym całość wymiennika usytuowana jest w płaszczu zewnętrznym 10, zaopatrzonym w króciec doprowadzający 11 zimną wodę i odprowadzający 12 wodę zagrzaną. Na zewnętrznej powierzchni komory spalania 6 wzdłuż jej długości naniesiona jest technologią PVD na przykład przez: naparowanie, ablację laserową, rozpylanie magnetronowe, rozpylanie filtrowanym łukiem elektrycznym, wzbudzanie par wiązką elektronową, powłoka 13, zawierająca warstwę termoelektryczną 1 zawierającą podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” nie stykające się ze sobą o grubości d1 od 1 do 10 gm, korzystnie 5 gm, uformowane w postaci naprzemiennych pierścieni „p” i „n” o szerokości s od 0,1 mm do 2 mm, korzystnie 1 mm, które połączone są ze sobą szeregowo elementami przewodzącymi 2a, 2b, wykonanymi z miedzi, o grubości d₂ od 1 do 5 gm, korzystnie 3 gm, zaopatrzonymi w końcówki przyłączeniowe 4, 5, do wyprowadzenia powstałej energii elektrycznej. Warstwa termoelektryczna 1 obustronnie jest izolowana elektrycznie warstwami 3a, 3b izolatora elektrycznego na bazie tlenków nieorganicznych, w szczególności na bazie Al₂O₃ albo SiO₂ albo MgO. Zimna strona warstw półprzewodnikowych „p” i „n” warstwy termoelektrycznej 1 chłodzona jest wodą doprowadzaną do wymiennika ciepła.

W komorze technologicznej należy najpierw przeprowadzić proces osadzania warstwy 3a izolatora elektrycznego, co pozwoli na elektryczne uniezależnienie warstwy termoelektrycznej od podłoża. Warstwa izolacyjna musi być jednorodna i ciągła w swojej strukturze. Zapewni to wysoki poziom odporności na przebicie elektryczne. Następnym krokiem jest wytworzenie odpowiednio zlokalizowanych elementów przewodzących 2a, która będzie stanowić podstawę i łączyć elektrycznie podwarstwy półprzewodnikowe. Istnieje wiele materiałów mogących realizować to zadanie. Biorąc pod uwagę łatwość depozycji oraz dobre przewodnictwo można zastosować miedź.

Najważniejszymi składnikami powłoki termoelektrycznej 1 są dwie warstwy półprzewodnikowe typu „p” i „n”, które można uzyskać z następujących grup materiałów: tellurek ołowiu, selenek cyny, związku telluru, antymonu, bizmutu, nieorganiczne związki klatratowe, skutterydy, związki pół-Heuslerowskie, związki krzemu i germanu. Dzięki połączeniu dwóch odmiennych warstw półprzewodnikowych „p” i „n” warstwą przewodzącą możliwe będzie uzyskanie przepływu prądu po wystawieniu kompozytu na różnicę temperatur. Kryterium doboru materiału zależy między innymi od oczekiwanej wydajności, a co za tym idzie wartości sprawności termoelektrycznej (ZT) oraz przewidywanego zakresu temperatur podczas pracy powłoki termoelektrycznej 13. Kolejnym krokiem przy tworzeniu powłoki termoelektrycznej jest ponowne wytworzenie odpowiednio zlokalizowanych elementów przewodzących 2b, dopełniających obwód elektryczny warstwy termoelektrycznej 1. Ostatnim krokiem jest wytworzenie drugiej warstwy 3b izolatora elektrycznego.

Zimna strona podwarstw półprzewodnikowych „p” i „n” warstwy termoelektrycznej 1 chłodzona jest wodą przepływającą wewnątrz płaszcza zewnętrznego 10. Grubość powłoki 13 nie przekracza 50 gm.

W drugim przykładzie wykonania wynalazku powłoka 13 zawierająca warstwę termoelektryczną 1 naniesiona jest na zewnętrzną powierzchnię rur płomieniowych 7 wymiennika opisanego w przykładzie pierwszym.

PL 233 814 B1

W trzecim przykładzie wykonania wynalazku powłoka 13 zawierająca warstwę termoelektryczną 1 naniesiona jest na powierzchnię dna sitowego 8a i dna sitowego 8b, od strony rur płomieniowych, wymiennika opisanego w przykładzie pierwszym.

W czwartym przykładzie wykonania wynalazku powłoka 13 zawierająca warstwę termoelektryczną 1 naniesiona jest na przegrody sitowe 9 po obu ich stronach, przez które przechodzą rury płomieniowe 7 wymiennika opisanego w przykładzie pierwszym.

W piątym przykładzie wykonania wynalazku powłoka 13 zawierająca warstwę termoelektryczną 1 naniesiona jest na wewnętrznej powierzchni płaszcza zewnętrznego 10 wymiennika opisanego w przykładzie pierwszym.

W wymienniku według wynalazku spala się paliwo w komorze spalania 6. Wytworzone w ten sposób ciepło jest odbierane przez czynnik ogrzewany - wodę - przepływający przez wymiennik. Ciepła strona warstwy termoelektrycznej 1 zawierającej warstwy półprzewodnikowe „p” i „n” połączone ze sobą szeregowo jest w kontakcie termicznym z gorącymi spalinami powstałymi w wyniku spalania paliwa w komorze spalania 6, natomiast zimna strona tej warstwy pozostaje w kontakcie termicznym z ogrzewanym czynnikiem - wodą przepływającą przez wymiennik.

Zgodnie z teorią Seebecka powstała w ten sposób różnica temperatur wywołuje uporządkowany ruch ładunków w elementach półprzewodnikowych „p” i „n” zawartych w warstwie termoelektrycznej 1. Ze względu na ich szeregowe połączenie pomiędzy skrajnymi punktami przyłączeniowymi, końcówkami 4, 5, pojawia się różnica potencjałów. Otrzymana w ten sposób energia może być wykorzystana do zasilania dodatkowej elektroniki, urządzeń zewnętrznych lub skierowana ponownie do sieci energetycznej.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (10)

1. Opalany wymiennik ciepła dla instalacji centralnego ogrzewania i/lub wody użytkowej, zawierający płaszcz zewnętrzny, komorę spalania, rury płomieniowe zamontowane w dnach sitowych, oraz generator termoelektryczny działający według zjawiska Seebecka usytuo wany w termicznym kontakcie ze spalinami, zawierający nie stykające się ze sobą podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” połączone ze sobą szeregowo elementami przewodzącymi zaopatrzonymi w końcówki przyłączeniowe do wyprowadzenia powstałej energii elektrycznej, obustronnie izolowane elektrycznie warstwami izolatora elektrycznego, znamienny tym, że generator termoelektryczny stanowi powłoka termoelektryczna (13) naniesiona technologią PVD na elementach wymiennika ciepła pozostających w termicznym kontakcie ze spalinami, przy czym bezpośrednio na wspomnianym elemencie wymiennika ciepła naniesiona jest pierwsza warstwa (3a) izolatora elektrycznego, na której naniesiona jest pi erwsza warstwa elementów przewodzących (2a) o grubości (d2) od 1 gm do 5 gm, na których naniesione są naprzemiennie podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” o grubości (d 1) od 1 gm do 10 gm oraz szerokości (s) od 0,1 mm do 2 mm, na których naniesiona jest druga warstwa elementów przewodzących (2b) o grubości (d2) od 1 gm do 5 gm, na której naniesiona jest druga warstwa (3b) izolatora elektrycznego, przy czym warstwy izolatora elektrycznego (3a, 3b) wykonane są na bazie tlenów nieorganicznych.

2. Wymiennik według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy przewodzące (2a, 2b) wykonane są z miedzi.

3. Wymiennik według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwy (3a, 3b) izolatora elektrycznego wykonane są na bazie AbOa albo SiO2 albo MgO.

4. Wymiennik według zastrz. 1, znamienny tym, że zimna strona warstw półprzewodnikowych „p” i „n” warstwy termoelektrycznej (1) chłodzona jest wodą doprowadzaną do wymiennika ciepła.

5. Wymiennik według któregokolwiek spośród zastrz. od 1 do 3, znamienny tym, że powłoka termoelektryczna (13) naniesiona jest na zewnętrzną powierzchnię komory spalania (6) wzdłuż jej długości.

6. Wymiennik według któregokolwiek spośród zastrz. od 1 do 3 albo 5, znamienny tym, że powłoka termoelektryczna (13) naniesiona jest na zewnętrzną powierzchnię rur płomieniowych (7).

7. Wymiennik według któregokolwiek spośród zastrz. od 1 do 3 albo 5 do 6, znamienny tym, że powłoka termoelektryczna (13) naniesiona jest na powierzchnię co najmniej jednego dna sitowego (8a, 8b), od strony rur płomieniowych.

PL233 814B1

8. Wymiennik według któregokolwiek spośród zastrz. od 1 do 3 albo 5 do 7, znamienny tym, że powłoka termoelektryczna (13) naniesiona jest na co najmniej jedną stronę co najmniej jednej przegrody sitowej (9), przez które przechodzą rury płomieniowe (7).

9. Wymiennik według któregokolwiek spośród zastrz. od 1 do 3 albo 5 do 8, znamienny tym, że powłoka termoelektryczna (13) naniesiona jest na wewnętrznej powierzchni płaszcza zewnętrznego (10).

10. Wymiennik według któregokolwiek spośród zastrz. od 1 do 3 albo 5 do 9, znamienny tym, że podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” warstwy termoelektrycznej (1) uformowane są w postaci naprzemiennych pierścieni.