ES2608253A1 - Dispositivo termoeléctrico tubular, instalación termoeléctrica y procedimiento de fabricación correspondiente - Google Patents
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Abstract
Dispositivo (1) termoeléctrico tubular, instalación termoeléctrica y procedimiento de fabricación correspondiente. El dispositivo (1) comprende unos primeros y segundos elementos de material termoeléctrico (4, 6), unos elementos de transferencia (8) de calor y unos elementos de disipación (10) de calor, todos ellos con un orificio interior, y dispuestos a lo largo de un eje longitudinal (2). El dispositivo (1) además comprende un primer elemento aislante (12) térmico y eléctrico para aislar el orificio interior (4a, 6a) del primer y segundo elementos de material termoeléctrico (4, 6) y del elemento de disipación (10). También presenta un segundo elemento aislante (14) térmico y eléctrico para aislar el contorno exterior del elemento de transferencia (8) y del primer y segundo elementos de material termoeléctrico (4, 6). Una vez montado, los elementos de transferencia (8) y los primeros elementos aislantes (12) forman un conducto interior (32) para la circulación de un primer fluido caloportador. Además, la invención se refiere a una instalación tubular termoeléctrica y a un procedimiento de fabricación.
Description
En otra forma de realización alternativa, el dispositivo comprende una envuelta exterior que envuelve dichos por lo menos un primer y un segundo elementos de material termoeléctrico, dicho por lo menos un elemento de transferencia de calor, y dicho por lo menos un elemento de disipación de calor, y que comprende una segunda entrada y una segunda salida de un segundo fluido caloportador. Gracias a ello, el gradiente de temperatura se puede independizar de la temperatura del entorno, de modo que en función del segundo fluido caloportador elegido se puede generar un mayor gradiente de temperatura, y por consiguiente un mayor voltaje.
En una forma de realización dicha segunda entrada y salida están dispuestas respecto a dicha envuelta exterior de manera que la dirección del flujo de dicho segundo fluido caloportador es paralela a la dirección de dicho eje longitudinal, y el sentido de flujo es contracorriente. Gracias a ello, la pérdida de carga en el circuito es menor.
En una forma de realización alternativa dicha segunda entrada y salida están dispuestas respecto a dicha envuelta exterior de manera que la dirección del flujo de dicho segundo fluido caloportador es transversal a la dirección de dicho eje longitudinal. En este caso, el segundo fluido caloportador da más vueltas alrededor del dispositivo y por lo tanto tiene un tiempo de residencia mayor de manera que se logra un mayor intercambio de calor hacia el segundo fluido caloportador
En otra forma de realización preferente dichos por lo menos un primer y un segundo elementos de material termoeléctrico, por lo menos un elemento de transferencia de calor, por lo menos un elemento de disipación de calor presentan forma de disco. Con ello se facilita la fabricación del dispositivo por procesos de mecanización ampliamente conocidos.
En otra forma de realización dichos por lo menos un primer y un segundo elementos de material termoeléctrico están formados por una placa discoidal de soporte que comprende una pluralidad de pellets termoeléctricos conectados en serie sobre dicha placa. Con esta configuración se produce más voltaje y menor intensidad.
En una forma de realización preferente de la instalación, dichos dispositivos están dispuestos al tresbolillo, lo cual incrementa la compacidad del conjunto y favorece la eficiencia.
La invención se refiere también a un procedimiento de fabricación del dispositivo termoeléctrico tubular según la invención que comprende un eje longitudinal. Este procedimiento está caracterizado por que comprende las etapas siguientes:
[a] proporcionar por lo menos un primer y un segundo elementos de material termoeléctrico, que presentan un orificio interior, por lo menos un elemento de transferencia de calor, que presenta un orificio interior y por lo menos un elemento de disipación de calor, que presenta un orificio interior,
[b] disponer dicho por lo menos un primer elemento de material termoeléctrico en contacto térmico y eléctrico en un plano perpendicular a dicho eje longitudinal, con dicho por lo menos un elemento de transferencia por un cara y con dicho por lo menos un elemento de disipación por la cara opuesta, y
[c] disponer dicho por lo menos un segundo elemento de material termoeléctrico en contacto térmico y eléctrico en un plano perpendicular a dicho eje longitudinal, con dicho por lo menos un elemento de transferencia por un cara y con dicho por lo menos un elemento de disipación por la cara opuesta,
[d] disponer por lo menos un primer elemento aislante térmico y eléctrico, que presenta un orificio interior orientado en la dirección de dicho eje longitudinal y un contorno exterior complementario con el orificio interior de dichos por lo menos un primer y segundo elementos de material termoeléctrico y dicho por lo menos un elemento de disipación, en contacto aislante respectivamente con dicho por lo menos un elemento de disipación y uno de entre dicho por lo menos un primer elemento de material termoeléctrico, dicho por lo menos un segundo elemento de material termoeléctrico o ambos en simultáneo,
[e] disponer por lo menos un segundo elemento aislante térmico y eléctrico, que presenta un orificio interior orientado en la dirección de dicho eje longitudinal, complementario con el contorno exterior de dicho por lo menos un elemento de transferencia y dichos por lo menos un primer y segundo elementos de material termoeléctrico, en contacto aislante respectivamente con dicho por lo menos un elemento de transferencia y uno de entre dicho por lo menos un primer elemento de material termoeléctrico, dicho por lo menos un segundo elemento de material termoeléctrico o ambos en simultáneo, de manera que
[f] dicho por lo menos un elemento de transferencia y dicho por lo menos un primer elemento aislante delimiten por sus orificios interiores un conducto interior con una primera entrada y una primera salida para la circulación de un primer fluido caloportador.
Opcionalmente, el procedimiento además comprende las etapas siguientes:
[a] proporcionar por lo menos dos taladros pasantes en la dirección de dicho eje longitudinal en dichos por lo menos un primer y un segundo elementos de material termoeléctrico, en dicho por lo menos un elemento de transferencia de calor, y en dicho por lo menos un elemento de disipación de calor, siendo dichos por lo menos dos taladros pasantes coincidentes en posición en cada uno de dichos elementos,
[b] disponer a lo largo de dicho eje longitudinal dicho un primer elemento de material termoeléctrico en contacto térmico y eléctrico en un plano perpendicular a dicho eje longitudinal con dicho un elemento de transferencia por un cara y con dicho un elemento de disipación por la cara opuesta, insertando un vástago eléctricamente pasivo a través de cada uno de dichos por lo menos dos taladros pasantes,
[c] disponer dicho un segundo elemento de material termoeléctrico en contacto térmico y eléctrico en un plano perpendicular a dicho eje longitudinal con dicho un elemento de transferencia por un cara y con dicho un elemento de disipación por la cara opuesta, insertando un vástago eléctricamente pasivo a través de cada uno de dichos por lo menos dos taladros pasantes, y
[d] apretar el conjunto mediante medios de apriete previstos en dichos por lo menos dos vástagos.
Asimismo, la invención también abarca otras características de detalle ilustradas en la descripción detallada de una forma de realización de la invención y en las figuras que la acompañan.
de material termoeléctrico 4, 6, se debe interpretar de forma amplia. Así, un orificio interior puede presentar cualquier forma, siempre que permita el paso de un fluido a través suyo. Como se puede ver, en la figura 6, el orificio interior 8a del elemento de transferencia 8 presenta una pluralidad de radios. No obstante, estos radios permiten el paso de fluido a través del elemento de transferencia 8.
Como se aprecia en las figuras 4 y 5, cada primer y segundo elemento de material termoeléctrico 4, 6 está en contacto térmico y eléctrico en un plano perpendicular al eje longitudinal 2, con un elemento de transferencia 8 por una cara y con un elemento de disipación 10 por la cara opuesta.
Como se verá más en detalle posteriormente, cada elemento de transferencia 8 se encarga de recibir el calor o frío del primer fluido caloportador para transmitirlo a una cara del primer o segundo elementos de material termoeléctrico 4, 6, mientras que por la cara opuesta cada elemento de disipación 10 se encarga de realizar la función opuesta, ya sea enfriar o calentar, con lo cual se obtiene el gradiente de temperatura que da origen al corriente eléctrico.
Los elementos de disipación 10 deben poder evacuar el máximo de calor posible para garantizar un buen gradiente térmico en los primeros y segundos elementos de material termoeléctrico 4, 6. Por ello, están fabricados en un material de alta conductividad térmica y eléctrica, como por ejemplo, cobre o aluminio. En caso de utilizar aluminio, es deseable aplicar un tratamiento de anodizado para proteger los elementos de disipación 10 de la corrosión. También es deseable que el material tenga una resistencia térmica baja, lo cual se logra gracias a que los elementos de disipación 10 de calor comprenden una pluralidad de aletas de refrigeración que forman una sola pieza con el cuerpo principal del elemento de disipación 10. Como se aprecia en las figuras, estas aletas de refrigeración del elemento de disipación 10 de calor sobresalen radialmente y se extienden axialmente en la dirección del eje longitudinal 2. Finalmente, cabe comentar que los elementos de disipación 10 también actúan como conductores eléctricos conectando las caras externas de un primer y un segundo elementos de material termoeléctrico 4, 6 contiguos, de modo que si se utiliza aluminio anodizado, esto sirve como aislante eléctrico frente a elementos externos.
Como ya se ha comentado el objetivo principal de la invención es mejorar las prestaciones de generación de electricidad o de calor respecto a los dispositivos termoeléctricos tubulares conocidos. Para ello, en todas las formas de realización de la invención el dispositivo 1 comprende una pluralidad de primeros elementos aislantes 12 térmicos y eléctricos que presentan un orificio interior 12a orientado en la dirección del eje longitudinal 2. Por otra parte, cada primer elemento aislante 12 tiene un contorno exterior complementario con el orificio interior 4a, 6a de los primeros y segundos elementos de material termoeléctrico 4, 6 y con el orificio interior 10a de los elementos de disipación 10. Así, en el estado montado del dispositivo 1, cada uno de los primeros elementos aislantes 12 está dispuesto con su contorno exterior, en contacto aislante con por lo menos un elemento de disipación 10 a través de su orificio interior 10a. Además, en función de la posición del dispositivo 1 en la que se encuentren, los correspondientes primeros y segundos elementos de material termoeléctrico 4, 6, cada uno de los primeros elementos aislantes 12 también está dispuesto con su contorno exterior en contacto aislante con un primer elemento de material termoeléctrico 4 o un segundo elemento de material termoeléctrico 6 o ambos en simultáneo, a través de los orificios interiores 4a, 6a.
En la invención, para todos los elementos que deban realizar una función de aislante eléctrico y/o de humedad se pueden utilizar distintos materiales en función de las temperaturas de trabajo. En aplicaciones a temperaturas inferiores a 200ºC se podrán utilizar termoplásticos o plásticos termoestables que opcionalmente pueden presentar una carga de fibra de vidrio, carbono o similares. Para temperaturas elevadas hasta 1000ºC, para garantizar un buen aislamiento eléctrico y térmico, así como una estanqueidad adecuada se utilizarán fibras minerales.
Asimismo, el dispositivo 1 comprende una pluralidad de segundos elementos aislantes 14 térmicos y eléctricos que presentan un orificio interior 14a orientado también en la dirección del eje longitudinal 2. Estos orificios interiores 14a son complementarios con el contorno exterior de cada uno de los elementos de transferencia 8 y del de los primeros y segundos elementos de material termoeléctrico 4, 6. De nuevo, en estado montado del dispositivo 1 cada uno de los segundos elementos aislantes 14 está dispuesto a través de su orificio interior 14a en contacto aislante con un elemento de transferencia 8 y, en función de la posición en el dispositivo 1, con un primer elemento de material termoeléctrico 4 o un segundo elemento de material termoeléctrico 6 o ambos en simultáneo a través del contorno exterior de cada uno de ellos. Preferentemente todos los elementos tendrán dimensiones iguales en cuanto a contorno exterior y orificios interiores para simplificar la fabricación, pero esto no es esencial para la invención, ya que no se descarta que la sección longitudinal de estos elementos pueda ser escalonada.
Finalmente, tal y como se aprecia en las figuras cada uno de los elementos de transferencia 8 y de los primeros elementos aislantes 12 delimitan por sus correspondientes orificios interiores 8a, 12a el conducto interior 32 del dispositivo 1. De esta forma el dispositivo 1 presenta una primera entrada 24 y una primera salida 26 para la circulación de un primer fluido caloportador.
En esta forma de realización está previsto que la evacuación de calor a través de los elementos de disipación 10 se lleve a cabo por convección natural o forzada con aire.
El dispositivo 1 según la invención es perfectamente modular y como se verá más adelante con el procedimiento de fabricación permite fácilmente el escalado. En cualquier caso, el menor módulo necesario para poder producir electricidad está formado por un primer y un segundo elementos de material termoeléctrico que por una cara estén en contacto con un elemento de disipación 10 y por la cara opuesta, estén en contacto con un elemento de transferencia 8. Con ello, se pueden definir dos módulos básicos que siempre presentara un primer y un segundo elementos de material termoeléctrico 4, 6 y a partir de los cuales se puede incrementar las dimensiones.
El primero módulo termoeléctrico presenta ordenados a lo largo del eje longitudinal 2 un elemento de transferencia 8, un primer elemento de material termoeléctrico 4, un elemento de disipación 10, un segundo elemento de material termoeléctrico 6 y un elemento de transferencia 8. Por otra parte, estos módulos disponen de los
disipación 10 de calor, comprenden tres taladros 18 pasantes en la dirección de dicho eje longitudinal 2 que son coincidentes en posición radial y angular. En cada uno de estos taladros 18, está montado un vástago 20 eléctricamente pasivo con un extremo roscado y un tensor asociado al vástago 20, que es una tuerca montada sobre el extremo roscado. Evidentemente, el número de taladros puede ser variables. Para lograr que sean eléctricamente pasivos, los vástagos 20 están montados en una vaina 48 de material aislante térmico y eléctrico, como materiales sintéticos tales como termoplásticos o termoestables. Alternativamente, los vástagos 20 pueden ser de materiales no conductores. Cada vástago 20 está montado ajustado en cada uno de los taladros 18 en contacto aislante eléctrico. Cuando todo el conjunto de elementos está montado se aprietan las tuercas sobre los vástagos 20 para proporcionar la fuerza de compresión necesaria para garantizar una buena transferencia de calor hacia los primeros y segundos elementos de material termoeléctrico.
De forma opcional en las superficies de contacto correspondientes entre los primeros y segundos elementos de material termoeléctrico 4, 6, los elementos de transferencia 8 de calor y los elementos de disipación 10 de calor, está previsto aplicar una capa de materia conductora a base de partículas metálicas en suspensión. Por ejemplo, se puede aplicar una pasta conductora a base de partículas metálicas en suspensión, preferiblemente de plata.
Esta forma de realización también plantea otra mejora adicional con el objetivo de maximizar el gradiente de temperatura. Para ello el orificio interior 8a de cada uno de los elementos de transferencia 8 de calor está provisto de una pluralidad de radios 34 que incrementan la superficie de contacto entre los elementos de transferencia 8 y el primer fluido caloportador.
A continuación, sobre la base de la figura 9 se explica el procedimiento de montaje según la invención. El procedimiento comprende las etapas siguientes: En primer lugar se disponen ordenadamente un primer elemento de material termoeléctrico 4 en contacto térmico y eléctrico en el plano perpendicular a dicho eje longitudinal 2, con un elemento de transferencia 8 por un cara y con un elemento de disipación 10 por la cara opuesta. Sobre por la cara opuesta del elemento de disipación 10 se dispone un
apriete sobre el conducto de soporte 36 para garantizar una buena transferencia de calor entre este último y los elementos de transferencia 8. Para ello, a diferencia de las realizaciones anteriores, los elementos de transferencia 8, deben tener un diámetro levemente menor que el conducto de soporte 36. Antes del montaje, se calientan los elementos de transferencia 8 hasta que su orificio interior 8a sea mayor que el diámetro del conducto de soporte 36. La temperatura de calentamiento en el caso de utilizar cobre será por lo menos de 200 ºC. Una vez colocados sobre el conducto de soporte 36 todos los elementos 4, 6, 8, 10 y antes de que se enfríen los elementos de transferencia 8 se mantendrá el conjunto bajo compresión mediante un pistón hasta que se haya enfriado. Finalmente, se colocarán los medios apriete 16 para mantener el conjunto comprimido una vez que se haya enfriado.
Por lo demás, el principio de funcionamiento del dispositivo de las figuras 14 y 15 es idéntico a los explicados anteriormente.
Tal y como se ha visto hasta aquí, la invención logra mejorar las prestaciones de los dispositivos termoeléctricos tubulares conocidos.
En primer lugar, la disposición de los elementos aislantes 12 y 14 permite incrementar el gradiente de temperaturas entre ambas caras de los primeros y segundos elementos termoeléctricos 4, 6.
También gracias a la configuración amovible de los la suma de la potencia generada en cada par de elementos, a través de la unión en serie de varios de estos, permite construir un generador modular y escalable capaz de transformar la energía calorífica del fluido en energía eléctrica. El número de pares de elementos termoeléctricos determina el potencial eléctrico generado y en consecuencia la cantidad de energía transformada.
En general, a mayor número de pares más energía eléctrica se produce. La peculiaridad de esta invención es la geometría empleada, que facilita la construcción y optimiza las prestaciones. Esta geometría difiere de la mayoría de dispositivos
temperaturas. Ejemplos comerciales de dichas cámaras de vapor son los comercializados por empresas tales como Advanced Cooling Technologies, Inc.
En la figura 18 se muestra otro dispositivo 1 según la invención similar a la de las figuras 16 y 17, ya que incorpora también los medios de homogeneización 52 de la temperatura. Para más detalles constructivos, se puede tomar la figura 17 como referencia. No obstante, en este caso, el dispositivo 1 presenta también la envuelta exterior 22 que envuelve los primeros y segundos elementos de material termoeléctrico 4, 6 y los elementos de transferencia 8 y disipación 8 de manera que se puede hacer fluir también un segundo fluido caloportador a través de una o varias segundas entradas 28 y segundas salidas 30. También como se aprecia en este caso, el eje longitudinal 54 de la envuelta exterior 22 es paralelo y sustancialmente coincidente con el eje longitudinal 2.
En la figura 19 se muestra una forma de realización de una instalación termoeléctrica en la que dos dispositivos 1 según la invención están dispuestos en envueltas 22 independientes, pero que en cambio comparten un mismo circuito para la circulación del primer fluido caloportador.
Por otra parte, en las figuras 20 y 21 se muestra instalación termoeléctrica que comprende una pluralidad de dispositivos 1 según la invención. En ella, los respectivos ejes longitudinales 2 de los dispositivos 1 termoeléctricos están dispuestos paralelos entre sí y formando triángulos cada tres dispositivos 1 adyacentes. Además, los dispositivos 1 están contenidos en una única envuelta 22 y segundo fluido caloportador tiene una temperatura superior al primer fluido caloportador. Esta forma de realización es especialmente apropiada para instalaciones de gran potencia. Además, en esta forma de realización, es preferible que los dispositivos 1 estén dispuestos al tresbolillo.
Las formas de realización hasta aquí descritas representan ejemplos no limitativos, de manera que el experto en la materia entenderá que más allá de los ejemplos mostrados, dentro del alcance de la invención son posibles múltiples combinaciones entre las características reivindicadas.
Claims (1)
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imagen1 imagen2 imagen3 imagen4 imagen5 imagen6 perpendicular a dicho eje longitudinal (2) con dicho un elemento de transferencia (8) por un cara y con dicho un elemento de disipación (10) por la cara opuesta, insertando un vástago (20) eléctricamente pasivo a través de cada uno de dichos por lo menos dos taladros (18) pasantes,5 [c] disponer dicho un segundo elemento de material termoeléctrico (6) en contacto térmico y eléctrico en un plano perpendicular a dicho eje longitudinal(2) con dicho un elemento de transferencia (8) por un cara y con dicho un elemento de disipación (10) por la cara opuesta, insertando un vástago (20) eléctricamente pasivo a través de cada uno de dichos por lo menos dos10 taladros (18) pasantes, y[d] apretar el conjunto mediante medios de apriete (16) previstos en dichos por lo menos dos vástagos (20).32
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