PL69113Y1 - Układ do zasilania urządzeń instalacji centralnego ogrzewania - Google Patents

Description

Opis wzoru

Przedmiotem wzoru użytkowego jest układ do zasilania urządzeń współpracujących z instalacją centralnego ogrzewania, takich jak pompy wymuszające obieg wody grzewczej oraz urządzenia sterujące. W ostatnich dziesięcioleciach notuje się znaczny postęp w dziedzinie technik ogrzewania budynków nakierowany szczególnie na podwyższenie sprawności spalania paliw konwencjonalnych w piecach grzewczych i bardzo popularnych obecnie kominkach, a więc także na oszczędność energii. Z drugiej strony istotnym problemem jest konieczność zasilania instalacji centralnego ogrzewania energią elektryczną dla wymuszenia obiegu wody grzewczej oraz pracy urządzeń sterujących. Przerwy w dostawach energii elektrycznej z sieci energetycznych występują częściej w obszarach poza dużymi aglomeracjami, gdzie podstawowym, a dziś praktycznie jedynym sposobem ogrzewania jest centralne ogrzewanie na paliwo stałe. Brak zasilania energią elektryczną powoduje wyłączenie obiegu wody grzewczej oraz sterowania w instalacji c.o., a więc unieruchomienie systemu ogrzewania.

Jednym z rozwiązań dla utrzymania w ruchu instalacji c.o. bez zasilania energią elektryczną z sieci energetycznej jest zainstalowanie akumulatorów, które w wypadku awarii przejmują rolę zasilającą. Rozwiązanie takie jest skuteczne przy awarii zasilania energią elektryczną z sieci energetycznej trwającej kilka godzin (w zależności od pojemności akumulatorów). Przerwy w zasilaniu energią elektryczną, szczególnie w ośrodkach wiejskich i szczególnie w okresie nieprzyjaznych zjawisk atmosferycznych (silne wiatry, mrozy czy opady śniegu), mogą trwać jednak nawet kilka dni.

Od prawie 200 lat znany jest efekt Peltiera, polegający na tym, że na skutek przepływu prądu elektrycznego przez złącze przewodników czy półprzewodników, złącze to ogrzewa się lub chłodzi. Równie dawno Seebeck stwierdził, że możliwe jest uzyskanie różnicy potencjałów, a więc i prądu elektrycznego, w obwodzie złożonym z dwóch różnych metali (lub, co stwierdzono w latach 50 XX wieku, także półprzewodników), kiedy ich złącza znajdują się w odmiennych temperaturach.

Istotą dziś stosowanych modułów Peltiera są zmiany temperatury zachodzące na złączach półprzewodników (n-p lub p-n) na skutek działania prądu elektrycznego. Półprzewodnikiem tym jest najczęściej tellurek bizmutu domieszkowany antymonem i selenem.

Możliwe jest też wykorzystanie ogniwa Peltiera do produkcji prądu elektrycznego, dzięki zjawisku Seebecka w obwodzie złożonym z dwóch różnych złącz półprzewodnika, kiedy złącza te znajdują się w odmiennych temperaturach.

Wielkość powstającego napięcia jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatur między złączami, oraz do różnicy współczynnika Seebecka (współczynnik termoelektryczny) pomiędzy materiałami wykonania styków. Na tej zasadzie, gdy jeden ze styków zostanie umieszczony w danej temperaturze, natomiast drugi, o innych właściwościach termoelektrycznych, zostanie umieszczony w temperaturze znacznie wyższej lub znacznie niższej, powstanie siła elektromotoryczna. Na tej podstawie można stwierdzić, że możliwe jest wykorzystanie ogniwa Peltiera jako źródła prądu.

Od prawie 100 lat znana jest możliwość uzyskania energii elektrycznej z wykorzystania tzw. odpadowego ciepła pochodzącego z gorących powierzchni urządzeń przemysłowych. Patent amerykański z 1914 roku opisuje wykorzystanie ogniwa Peltiera zainstalowanego na gorącej powierzchni rury odprowadzającej gazy spalinowe ze stacjonarnego silnika spalinowego dużej mocy do wytwarzania energii elektrycznej [US 1118269], Z kolei jeden z nowszych patentów opisuje odzyskanie części ciepła w postaci energii elektrycznej przez zastosowanie ogniwa Peltiera w samochodzie, gdy umieszczone jest ono na gorącej powierzchni rury wydechowej [US 20070193617], W obu przypadkach odpowiednia powierzchnia ogniwa Peltiera kontaktowała się z gorącą powierzchnią, zaś druga (zimna) powierzchnia ogniwa chłodzona była wodą obiegową z urządzeń.

Znane rozwiązania bazujące na wykorzystaniu ogniw Peltiera do wytwarzania energii elektrycznej z odpadowego ciepła znajdują zastosowanie w celu wspomagania działania urządzeń zasilanych energią elektryczną ze źródeł zewnętrznych. Ogniwa Peltiera mają jednak niewielką moc i do tej pory uważano, że jest ona niewystarczająca, by samodzielnie były one w stanie utrzymać urządzenia w ciągłym ruchu. Okazało się jednak, że w przypadku prezentowanego rozwiązania, takie utrzymanie instalacji c.o. w ciągłym ruchu bez zasilania energią elektryczną z sieci jest możliwe.

Celem obecnego rozwiązania było wykorzystanie termicznego źródła energii elektrycznej (ogniwo Peltiera) do zasilania pomp wymuszających obieg wody grzewczej oraz urządzeń sterujących w instalacji centralnego ogrzewania, pracujących bez zewnętrznego zasilania energią elektryczną.

Układ do zasilania urządzeń instalacji centralnego ogrzewania zawierający ogniwa Peltiera, według wzoru posiada moduł zawierający od 10 do 100 ogniw Peltiera połączonych szeregowo-równolegle, zamocowanych pomiędzy dwiema płytami miedzianymi lub płytami z tlenku glinu, który to moduł jest zamocowany od strony gorącej powierzchni ogniw Peltiera do zewnętrznej powierzchni o temperaturze w zakresie 120-220°C elementu odprowadzającego gazy spalinowe z urządzenia grzewczego instalacji centralnego ogrzewania, a od strony zimnej powierzchni ogniw Peltiera kontaktujący się z układem wodnego chłodzenia o temperaturze w zakresie 20-90°C urządzenia grzewczego, przy różnicy temperatury pomiędzy gorącą i zimną powierzchnią ogniw Peltiera zawierającej się w zakresie od 20 do 200°C. Moduł jest połączony, za pośrednictwem elementu sterującego zasilanego wytworzoną w układzie energią elektryczną, z akumulatorem połączonym z co najmniej jedną pompą instalacji centralnego ogrzewania zasilaną wytworzoną w układzie energią elektryczną.

Urządzeniem grzewczym korzystnie jest piec centralnego ogrzewania lub kominek z płaszczem wodnym.

Układ według wzoru pozwala na wykorzystanie termicznego źródła energii elektrycznej (ogniwo Peltiera) do zasilania pomp wymuszających obieg wody grzewczej oraz urządzeń sterujących w instalacji centralnego ogrzewania ogrzewanej z kominka z płaszczem wodnym lub pieca c.o. Umieszczony na gorących powierzchniach pieca c.o. lub kominka z płaszczem wodnym zespół ogniw Peltiera ma taką sumaryczną moc, by była ona wystarczająca do zasilania pomp wymuszających obieg wody grzewczej w instalacji. Odpowiednim miejscem do zamontowania ogniw jest rura spalinowa pieca c.o. lub kominka, gdzie w zależności od konstrukcji urządzenia temperatura w czasie pracy wynosi od 120 do 220°C. Taka temperatura jest odpowiednia do pracy dla obecnie stosowanych półprzewodnikowych ogniw Peltiera. Nie może być ona znacznie wyższa niż 220°C, gdyż po przekroczeniu pewnej granicznej wartości ogniwo ulega uszkodzeniu. Moduł złożony z kilku ogniw zamontowanych między dwoma płytami i umieszczony gorącą stroną na rurze spalinowej wytwarza energię elektryczną.

Druga strona modułu (zimna) jest chłodzona wężownicą wodną podłączoną do obiegu w płaszczu wodnym, gdzie temperatura średnia nie przekracza na ogół 80°C. W ten sposób uzyskuje się na dwóch stronach ogniwa różnicę temperatur rzędu 100°C, co po połączeniu kilku ogniw szeregowo wystarcza do uzyskania napięcia pozwalającego na zasilanie pomp i systemu sterującego pracą pieca c.o. lub kominka z płaszczem wodnym. Pojedyncze ogniwo przy takiej różnicy temperatur wytworzy napięcie rzędu 1.8 V i prąd o natężeniu 1 A, co po szeregowo-równoległym połączeniu np. 20 ogniw daje napięcie 18 V i natężenie 2 A. Urządzenie o takiej mocy może być już wykorzystane do ładowania akumulatora podłączonego do instalacji poprzez stabilizator, z którego zasilone są poszczególne urządzenia - pompy i układy sterujące. Zatem w wypadku awarii zewnętrznego zasilania energią elektryczną, ogniwa Peltiera przejmują zasilanie urządzeń i ogrzewanie działa bez przerwy. W przypadku okresowego braku ładowania akumulatora ze strony ogniw, na przykład przy wygaśnięciu ognia w palenisku, funkcje zasilania przejmuje akumulator, do czasu uzupełnienia paliwa w piecu czy kominku.

Układ według wzoru pozwala na zasilanie urządzeń układu centralnego ogrzewania o mocy od 1 do 100 kW. Istotną zaletą wzoru jest to, że może być stosowany w miejscach, gdzie awarie zasilania elektrycznego są częste czy też tam, gdzie energia elektryczna nie jest dostarczana wcale.

Rozwiązanie według wzoru umożliwia zabezpieczenie ciągłej pracy instalacji centralnego ogrzewania bez zasilania energią elektryczną z sieci energetycznej, akumulatora czy innego zewnętrznego źródła prądu.

Układ według wzoru został przedstawiony schematycznie na rysunku, na którym w formie blokowej zaprezentowano urządzenia, a także strumienie obiegu wody oraz drogi zasilania w energię elektryczną. W układzie przedstawionym na rysunku na rurze 2 odprowadzającej gazy spalinowe z urządzenia grzewczego 1, którym jest piec centralnego ogrzewania lub kominek z płaszczem wodnym, jest umocowany moduł ogniw Peltiera 3. Moduł jest umocowany w ten sposób, żeby powierzchnia gorąca stykała się z rurą 2. Moduł 3 jest po stronie powierzchni zimnej, czyli niepozostającej w kontakcie z rurą 2, chłodzony strumieniem wody chłodzącej przepływającej wężownicą 5, która stanowi fragment wężownicy obiegu wody grzewczej. Wytworzona w module 3 energia elektryczna jest przesyłana, za pośrednictwem stabilizatora 6, do akumulatora 8. Pompa wymuszająca obieg wody 9, przez zbiornik bezpieczeństwa 10 jest połączona z wymiennikiem ciepła (kaloryferem) 11, a poprzez układ sterujący zawierający także stabilizator 6 jest połączona z akumulatorem 8. Układ sterujący 6 ze stabilizatorem jest także przystosowany do zasilania energią elektryczną z sieci zewnętrznej 7.

Przedmiot wzoru został bliżej przedstawiony w przykładach stosowania. Przykład 1 Na rurze odprowadzającej gazy spalinowe w kominku z płaszczem wodnym o mocy 15 kW umieszczono moduł (zestaw) 24 ogniw Peltiera (bazujących na tellurku bizmutu) pomiędzy płytami miedzianymi. Strona gorąca modułu została przytwierdzona do rury o temperaturze w czasie pracy kominka wynoszącej 210°C, zaś strona zimna chłodzona była wodą obiegową układu o temperaturze 75°C. Zbudowany zestaw termoelektryczny wytwarzał napięcie 19 V i dawał prąd o natężeniu 2,1 A. Taka moc była wystarczająca do zasilania układu zbudowanego z akumulatora o napięciu 12 V (pojemność 100 Ah), 4 pomp wymuszających obieg wody w czterech typowych wymiennikach ciepła oraz urządzeń sterujących systemem przez 24 godziny, a więc cały czas, w którym prowadzono w kominku spalanie opału (suchego drewna). Po tym okresie akumulator był w pełni naładowany. Przykład 2 Na rurze odprowadzającej gazy spalinowe w piecu centralnego ogrzewania o mocy 25 kW umieszczono moduł (zestaw) 36 ogniw Peltiera (bazujących na tellurku bizmutu) pomiędzy płytami miedzianymi. Strona gorąca modułu została przytwierdzona do rury o temperaturze w czasie pracy pieca wynoszącej 190°C, zaś strona zimna chłodzona była wodą obiegową układu o temperaturze 80°C. Zbudowany zestaw termoelektryczny wytwarzał napięcie 22 V i dawał prąd o natężeniu 2,1 A. Taka moc była wystarczająca do zasilania układu zbudowanego z akumulatora o napięciu 12 V (pojemność 100 Ah), 6 pomp wymuszających obieg wody w sześciu typowych wymiennikach ciepła oraz urządzeń sterujących systemem przez 24 godziny, a więc cały czas, w którym prowadzono w piecu spalanie opału (brykietów węglowych). Po tym okresie akumulator był w pełni naładowany.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia ochronne

   1. Układ do zasilania urządzeń instalacji centralnego ogrzewania zawierający ogniwa Peltiera, znamienny tym, że posiada moduł (3) zawierający od 10 do 100 ogniw Peltiera połączonych szere-gowo-równolegle, zamocowanych pomiędzy dwiema płytami z materiału przewodzącego energię cieplną, korzystnie z miedzi lub tlenku glinu, który to moduł (3) jest zamocowany od strony gorącej powierzchni ogniw Peltiera do zewnętrznej powierzchni o temperaturze w zakresie 120-220°C elementu (2) odprowadzającego gazy spalinowe z urządzenia grzewczego (1) instalacji centralnego ogrzewania, a od strony zimnej powierzchni ogniw Peltiera kontaktujący się z układem wodnego chłodzenia (5) o temperaturze medium chłodzącego w zakresie 20-90°C urządzenia grzewczego (1), przy różnicy temperatury pomiędzy gorącą i zimną powierzchnią ogniw Peltiera zawierającej się w zakresie od 20 do 200°C, który to moduł (3) jest połączony, za pośrednictwem elementu sterującego (6) zasilanego wytworzoną w układzie energią elektryczną, z akumulatorem (8) połączonym z co najmniej jedną pompą (9) instalacji centralnego ogrzewania zasilaną wytworzoną w układzie energią elektryczną.
2. 2. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że urządzeniem grzewczym (1) jest piec centralnego ogrzewania lub kominek z płaszczem wodnym.