ES2921483B2 - Módulo termoeléctrico para el aprovechamiento del calor residual y sistema de monitorización de procesos industriales - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

Módulo termoeléctrico para el aprovechamiento del calor residual y sistema de monitorización de procesos industriales

Sector técnico de la invención

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.

Antecedentes de la invención

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Este efecto relaciona el calentamiento o enfriamiento en un conductor homogéneo en presencia de un gradiente de temperatura cuando una corriente lo atraviesa.

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).

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.

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. 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.

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).

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 fría tienen que aportar y disipar calor continuamente para mantener esa diferencia.

Una celda Peltier está formado 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.

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.

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.

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.

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.

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.

Explicación de la invención

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.

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 unos medios estructurales y de aislamiento térmico. Dichos medios estructurales y de aislamiento térmico comprenden 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; y al menos una junta térmica entre el disipador y la base estructural provista de al menos un orificio por donde el generador termoeléctrico se inserta a través de él para contactar con el captador de calor.

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.

Asimismo, 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.

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. 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.

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.

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 tipo Belleville 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.

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.

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.

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.

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.

Además, según una realización preferida, se prevé que el sistema comprenda un control analógico de alimentación del SoC (El acrónimo SoC se refiere a lo largo de la presente memoria al término anglosajón 'System on a Chip', es decir, un chip integrado por múltiples componentes que, en conjunto, conforman un sistema completo), 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.

Breve descripción de los dibujos

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;

la Fig. 3 es una vista esquemática y en perspectiva según un punto de vista inferior del módulo termoeléctrico de la Fig. 2;

la Fig. 4 es una vista esquemática y lateral del módulo termoeléctrico de la 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;

la Fig. 6 es una vista esquemática del sistema según la invención;

la Fig. 7 es sendas vistas esquemáticas en perspectiva y en sección del captador de calor del módulo termoeléctrico según la invención;

la Fig. 8 son sendas vistas en perspectiva superior, inferior y en sección de la base estructural del módulo termoeléctrico según la invención;

la Fig. 9 es una vista parcial esquemática de la base estructural de la Fig. 8;

la Fig. 10 es una vista parcial esquemática de la base estructural de la Fig. 8;

la Fig. 11 son sendas vistas esquemáticas de la junta térmica del módulo termoeléctrico según la invención;

la Fig. 12 son sendas vistas esquemáticas de la celda Peltier que conforman el generador termoeléctrico del módulo termoeléctrico según la invención;

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;

la Fig. 14 son sendas vistas esquemáticas en perspectiva según dos puntos de vista de la caja electrónica del módulo termoeléctrico según la invención;

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;

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;

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; y

las Figs. 19a y 19b son sendas vistas del funcionamiento eléctrico y esquema por bloques del sistema de control.

Descripción detallada de los dibujos

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.

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).

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).

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.

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 unos medios estructurales y de aislamiento térmico (60) que comprenden 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.

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 0-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.

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 Al203, 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).

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.

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.

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.

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.

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.

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 6mm 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.

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).

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.

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 40x4Omm. 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.

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.

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 1P67.

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.

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.

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.

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, sobre todo se dejará bien señalada la superficie caliente.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Módulo termoeléctrico (1) para el aprovechamiento del calor residual especialmente adaptado para instalarse sobre tuberías industriales que comprende al menos unos medios de captación del calor (2), unos medios de generación (4) de energía y unos medios de disipación del calor (5), caracterizado porque

- los medios de captación de calor (2) comprenden al menos un captador de calor (21) 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 (3) externa al módulo termoeléctrico (1);

- los medios de generación (4) de energía, adaptados para la transformación de calor en energía eléctrica, comprenden al menos un generador termoeléctrico (41) cuya base inferior (42) está en contacto con el captador de calor (2);

- los medios de disipación del calor (5) comprenden al menos 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; y

- porque está provisto además de unos medios estructurales y de aislamiento térmico (60) que comprenden:

o 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 al menos una abertura (61) mediante la cual el captador de calor (21) es susceptible de contactar con la superficie de la fuente de calor (3); y

o al menos una junta térmica (7) entre el disipador (51) y la base estructural (6), provista de al menos un orificio (71) por donde el generador termoeléctrico (41) se inserta a través de él para contactar con el captador de calor (21)

2. Módulo termoeléctrico (1) según la reivindicación anterior, caracterizado porque el captador de calor (21) está provisto de al menos un reborde perimetral (22) para apoyarse sobre la base estructural (6).

3. Módulo termoeléctrico (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el generador termoeléctrico (41) es al menos una celda Peltier (41').

4. Módulo termoeléctrico (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la base estructural (6) está dotada de múltiples nervios (62).

5. Módulo termoeléctrico (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende además al menos dos tornillos (8) insertados por la parte inferior de la base estructural (6) y que disponen de unos topes (81) y unas arandelas (82) tipo Belleville que permiten controlar la profundidad, actuando como muelle y aplican la fuerza requerida para que el generador termoeléctrico (41) permanezca sujeto y en contacto con el disipador (51) al par de fuerza de presión apto para su correcto funcionamiento térmico.

6. Módulo termoeléctrico (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende una caja electrónica (9) susceptible de alojar en su interior la electrónica encargada de gestionar la energía eléctrica procedente del generador termoeléctrico (41).

7. Sistema de monitorización de procesos industriales para el mantenimiento predictivo aprovechando el calor residual, caracterizado porque comprende al menos un módulo termoeléctrico (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 que genera la energía suficiente para alimentar dispositivos (11) electrónicos o sensores industriales de la propia máquina que se quiere monitorizar.

8. Sistema de monitorización según la reivindicación anterior, caracterizado porque 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.

9. Sistema de monitorización según la reivindicación anterior, caracterizado porque comprende un control analógico de la 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.